發(fā)布時間：2020-04-20 18:38

【摘要】：拓?fù)鋬?yōu)化為新型工程結(jié)構(gòu)的開發(fā)與設(shè)計提供了有效方法與平臺。一方面高度繁瑣的工程結(jié)構(gòu)要求高效率的設(shè)計制造,另一方面滿足特定性能要求的工程結(jié)構(gòu)也迫切需要提供輕量型、短周期型和高性能的設(shè)計制造方案。而針對以上兩點(diǎn),建立在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上的連續(xù)體漸進(jìn)拓?fù)鋬?yōu)化方法已經(jīng)有很長的探索歷程,并已在諸多工程領(lǐng)域中得以應(yīng)用。然而對于傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法存在一些經(jīng)驗(yàn)性計算行為,無法針對優(yōu)化結(jié)果給予準(zhǔn)確合理的解釋和分析,進(jìn)而造成不可避免的誤差。其次,拓?fù)鋬?yōu)化雖然研究頻繁,但大多停留在理論階段,拓?fù)浣Y(jié)果的各異性使得實(shí)際應(yīng)用并不可觀,使得拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造成為研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。為了解決經(jīng)驗(yàn)性計算的影響,本文引入靈敏度分割比,利用參數(shù)化研究探索趨近于準(zhǔn)確結(jié)果的權(quán)重值,同時,基于特定優(yōu)化方法提出以復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和大型薄板結(jié)構(gòu)為主要對象的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計策略。主要研究工作如下:(1)基于傳統(tǒng)雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法原理,對比分析并且驗(yàn)證了改進(jìn)的歷史迭代信息平均處理對解的數(shù)值影響。之后基于靈敏度經(jīng)驗(yàn)性平均分割,針對算法在歷史迭代過程中靈敏度不同分割比對結(jié)構(gòu)靈敏度和結(jié)構(gòu)剛度的影響進(jìn)行參數(shù)化研究,從而得到更具有實(shí)際指導(dǎo)意義的靈敏度權(quán)重分割比。與原始?xì)v史迭代信息平均處理方法對比發(fā)現(xiàn),靈敏度權(quán)重分割比為黃金分割比時歷史迭代過程光順平滑且少有局部極值產(chǎn)生,同時振蕩現(xiàn)象明顯減弱,且結(jié)果收斂性更好。(2)針對傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法在設(shè)計工程結(jié)構(gòu)時周期長、效率低等方面的問題,提出一種新的高效率三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計策略。該策略采用一種簡潔高效的優(yōu)化方法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,然后利用幾何逆向反求設(shè)計重構(gòu)模型并對其進(jìn)行3D打印制造和力學(xué)性能試驗(yàn)研究以便重新設(shè)計。以典型T結(jié)構(gòu)為例驗(yàn)證所提策略的可實(shí)現(xiàn)性,結(jié)果表明試驗(yàn)與仿真吻合良好,滿足工程剛度需求,可以大大縮短設(shè)計制造周期并指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。(3)為改變新型薄板結(jié)構(gòu)設(shè)計的可操作性,提高其可制造性,基于折紙技術(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化的獨(dú)特屬性提出一種新型薄板結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。該方法涵蓋拓?fù)湓O(shè)計、結(jié)構(gòu)展開、減材制造和再折疊四個過程。利用所提方案實(shí)現(xiàn)了基于特殊紙板的水平折紙和三浦折紙懸臂梁結(jié)構(gòu)拓?fù)涠ㄏ蛟O(shè)計,結(jié)果表明該設(shè)計方案提供了更適合于薄金屬材料制成的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計思路。
【圖文】：

結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有迅猛驚人的發(fā)展速度，該領(lǐng)域已被大多學(xué)者從多個不同的角度進(jìn)行了廣泛的研究。優(yōu)化的主要價值在于它的研究對象和優(yōu)化目標(biāo)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的適用性建立在費(fèi)用、成本、質(zhì)量、性能等綜合指標(biāo)下，以期獲得最佳的解決方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法按設(shè)計層次可分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化三種類型，具體表現(xiàn)形式分別與圖 1.1(a)(b)(c)類似。尺寸參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量是描述產(chǎn)品幾何的預(yù)定義設(shè)置，僅僅只在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)方面作微小調(diào)整，所以僅適用于產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計階段。尺寸設(shè)計相對來說優(yōu)化作業(yè)方式比較直接，優(yōu)化迭代期間無需有限元模型重新調(diào)整，而當(dāng)結(jié)構(gòu)有限元模型較大或者分析高度非線性模型時，則必須借助代理模型。形狀設(shè)計是基于設(shè)計人員的設(shè)計方案和思路所進(jìn)行的一類詳細(xì)設(shè)計過程，旨在通過改變結(jié)構(gòu)模型的特定邊界滿足實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的某些力學(xué)性能。由于產(chǎn)品幾何形狀于優(yōu)化過程中有顯著變化，，通常需要更改網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置信息從而使有限元模型重新自動劃分網(wǎng)格[3]。形狀參數(shù)化適用于光滑外部邊界表示產(chǎn)品幾何形狀，在航天器設(shè)計領(lǐng)域及其他機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計方面已取得較大進(jìn)展。

碩士學(xué)位論文例分析梁結(jié)構(gòu)簡支梁結(jié)構(gòu)為剛度優(yōu)化設(shè)計對象，如圖 2.3 所示。簡支梁計域長為 100mm，高為 30mm，厚度為 1mm。采用集中簡支梁上端面中點(diǎn)處，幅值為 1KN。材料性能參數(shù)設(shè)置為比為 0.3，預(yù)留材料體積百分比 40%。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計域采為 3000 個網(wǎng)格，單元尺寸設(shè)置為 1ｘ1mm。BESO 方法主 2%，rmin= 3。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB47

【參考文獻(xiàn)】

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2 彭細(xì)榮;隋允康;;用ICM法拓?fù)鋬?yōu)化靜位移及頻率約束下連續(xù)體結(jié)構(gòu)[J];計算力學(xué)學(xué)報;2006年04期

3 袁振,吳長春;復(fù)合材料周期性線彈性微結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[J];固體力學(xué)學(xué)報;2003年01期

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本文編號：2634838