【摘要】：拓?fù)鋬?yōu)化作為一種有效的設(shè)計(jì)手段己廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域,并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著拓?fù)鋬?yōu)化近三十年來的發(fā)展,相關(guān)工作重心已經(jīng)逐步從基于線彈性小變形假設(shè)的研究轉(zhuǎn)向非線性相關(guān)的拓?fù)鋬?yōu)化研究。而事實(shí)上,結(jié)構(gòu)的線彈性小變形假設(shè)通常只是一種簡化情況,為了獲得更加合理的設(shè)計(jì),考慮非線性行為(材料非線性和幾何非線性)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)非常必要。己有研究表明,傳統(tǒng)的隱式拓?fù)鋬?yōu)化方法(如變密度方法,漸進(jìn)優(yōu)化方法)在固定網(wǎng)格下進(jìn)行考慮非線性的拓?fù)鋬?yōu)化研究時會遇到以下困難:(1)過大的結(jié)構(gòu)變形會導(dǎo)致某些有限單元產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變,從而無法保障中間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析的收斂性,進(jìn)一步影響優(yōu)化迭代過程順利進(jìn)行;(2)隨著結(jié)構(gòu)變形的增大,有限元分析的計(jì)算量急劇增加,從而導(dǎo)致拓?fù)鋬?yōu)化問題求解的效率大大降低;(3)結(jié)構(gòu)幾何模型由有限單元網(wǎng)格隱式描述,存在幾何信息難以提取,無法與CAD/CAE軟件無縫連接,設(shè)計(jì)變量眾多等問題;(4)在求解結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)優(yōu)化問題時,中間設(shè)計(jì)的低密度單元區(qū)域會出現(xiàn)局部失穩(wěn)、產(chǎn)生虛假模態(tài)等,從而使設(shè)計(jì)結(jié)果偏離實(shí)際。為了解決傳統(tǒng)方法在進(jìn)行非線性優(yōu)化時所面臨的以上代表性困難,本文基于最近提出的顯式拓?fù)鋬?yōu)化框架進(jìn)行考慮非線性的拓?fù)鋬?yōu)化相關(guān)問題研究,具體研究內(nèi)容如下:發(fā)展了一套采用B樣條曲線描述結(jié)構(gòu)邊界、考慮結(jié)構(gòu)有限變形的顯式拓?fù)鋬?yōu)化方法,推導(dǎo)了有限變形情況下參考初始構(gòu)形和參考當(dāng)前構(gòu)形的靈敏度,結(jié)合自由度刪除技術(shù)有效避免了有限變形情況下有限單元計(jì)算不收斂現(xiàn)象。通過數(shù)值算例,討論了不同初始設(shè)計(jì)、不同B樣條控制點(diǎn)個數(shù)、不同邊界切割單元的處理、不同力大小對優(yōu)化結(jié)果的影響,并比較和分析了基于變密度方法和本文方法的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。發(fā)展了一套考慮幾何非線性的超彈性結(jié)構(gòu)(本構(gòu)選用具有代表性的Mooney-Rivlin模型)設(shè)計(jì)的顯式拓?fù)鋬?yōu)化方法,構(gòu)造了相應(yīng)拓?fù)鋬?yōu)化問題的數(shù)學(xué)列式,給出了靈敏度結(jié)果。通過數(shù)值算例,討論了不同初始設(shè)計(jì)、不同網(wǎng)格化分對優(yōu)化結(jié)果的影響。結(jié)果表明,該方法可以通過較少的設(shè)計(jì)變量,非常穩(wěn)健的優(yōu)化過程,給出邊界由B樣條曲線顯式描述、可與CAD/CAE軟件無縫連接的超彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。發(fā)展了一套考慮后屈曲的薄膜-基底柔性電子器件設(shè)計(jì)方法,構(gòu)造了相應(yīng)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)列式,使用商用有限元軟件和基因算法對模型進(jìn)行了分析和優(yōu)化。針對柔性電子器件服役過程中所涉及的非線性接觸、非線性后屈曲、非線性分叉等難點(diǎn),本文提出的方法只需要極少的設(shè)計(jì)變量便可描述三維自組裝結(jié)構(gòu)的剪痕布局,實(shí)現(xiàn)了力學(xué)引導(dǎo)的三維自組裝結(jié)構(gòu)的剪痕布局優(yōu)化。不同于己有基于經(jīng)驗(yàn)或試錯的設(shè)計(jì)方法,這部分的研究工作可為柔性電子等先進(jìn)器件的設(shè)計(jì)提供一種系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)途徑。
【圖文】：

雖然結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但同時也存在著許多困難。例如，對于逡逑重大裝備／工程進(jìn)行一次有限元計(jì)算所需要的時間成本巨大，而拓?fù)鋬?yōu)化通常需要多次逡逑迭代才能收斂獲得一個相對最優(yōu)的結(jié)果［２２］。尤其是三維問題，如圖１．４所示，有限元節(jié)逡逑點(diǎn)自由度數(shù)與網(wǎng)格劃分個數(shù)呈三次方關(guān)系。因此，還需開發(fā)效率更加高、收斂速度更加逡逑快的算法程序。另外實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)問題通常比較復(fù)雜，抽取出適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)優(yōu)化模型逡逑比較困難，而優(yōu)化模型的恰當(dāng)與否直接決定了設(shè)計(jì)結(jié)果的好壞。除此之外，現(xiàn)有的優(yōu)化逡逑算法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時得到的往往是局部最優(yōu)解，研發(fā)更好的優(yōu)化算法使其能夠得到全逡逑局最優(yōu)解也是一個非常重要的方向。逡逑近三十年來對于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的研宄大都是基于線彈性小變形假設(shè)進(jìn)行的，對于考逡逑慮材料非線性和有限變形的拓?fù)鋬?yōu)化研宄開展的并不多。而實(shí)際問題中結(jié)構(gòu)的變形往往逡逑涉及到材料非線性和有限變形問題

低密度單元區(qū)域會出現(xiàn)局部失穩(wěn)，產(chǎn)生虛假模態(tài)以及重特征值問題，對數(shù)值求逡逑解工作帶來困難。因此發(fā)展一套考慮材料非線性和有限變形的顯式拓?fù)鋬?yōu)化方法非常必逡逑圖１．３優(yōu)化方法在Ａ３８０飛機(jī)部件優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用Ｗ逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ邋ｍｅｔｈｏｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ邋ｄｅｓｉｇｎ邋ｏｆ邋Ａ３邋８０逡逑ａｉｒｃｒａｆｔ邋ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ＾逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB114.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 程遠(yuǎn)勝;劉甜甜;劉均;;船舶肘板拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J];中國艦船研究;2015年05期

2 牛飛;梅帥;張盛;陳飆松;程耿東;;基于SiPESC平臺的拓?fù)鋬?yōu)化模塊開發(fā)及應(yīng)用[J];大連理工大學(xué)學(xué)報;2013年02期

3 昌俊康;段寶巖;;連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的一種改進(jìn)變密度法及其應(yīng)用[J];計(jì)算力學(xué)學(xué)報;2009年02期

4 穆春燕;蘇超;王海青;;拓?fù)鋬?yōu)化方法的研究進(jìn)展及在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J];水力發(fā)電;2006年05期

5 江X,楊文兵,李振環(huán);ANSYS二次開發(fā)技術(shù)在斜拉橋參數(shù)化建模中的應(yīng)用[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版);2005年S1期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 付強(qiáng);基于有限元數(shù)值模擬的箱梁腹板拓?fù)鋬?yōu)化分析與設(shè)計(jì)[D];長安大學(xué);2017年

2 唐榕蔚;統(tǒng)一強(qiáng)度理論的ABAQUS二次開發(fā)及其應(yīng)用[D];北京交通大學(xué);2012年

，

本文編號：2604663