【摘要】：目前,結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為一種能夠減少設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本、減短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期、減小耗能的有效設(shè)計(jì)方法,已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。而拓?fù)鋬?yōu)化作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化中一個(gè)最具研究前景的層次,近年來成為國(guó)際上優(yōu)化研究的熱點(diǎn)問題之一。與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)相比,拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)既不依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),又可以在改良或維持原有結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上得到材料的最佳分布情況,它使結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段就可以進(jìn)行合理、快速地方案優(yōu)選。變密度法是目前拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的理論算法,主要用來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的輕量化。對(duì)其理論的鉆研和缺點(diǎn)的改良,一直是眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。本文基于有限元分析,運(yùn)用引入濾波函數(shù)的變密度法對(duì)柱盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),并將優(yōu)化過程用MATLAB軟件程序化。首先,綜述了拓?fù)鋬?yōu)化理論和方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及目前存在的問題,同時(shí)表述了結(jié)合MATLAB的拓?fù)鋬?yōu)化研究的發(fā)展及現(xiàn)狀,提出了采用MATLAB對(duì)柱盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。其次,闡述了與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)的基本理論、設(shè)計(jì)層次和分類。分別分析了尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化的各自概念及特點(diǎn)。研究了連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化常用優(yōu)化方法的基本理論及原理和各自優(yōu)缺點(diǎn)。分析了拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算中用到的四種主要求解算法。為拓?fù)鋬?yōu)化做足理論和算法準(zhǔn)備。再次,研究了有限元分析基本理論及設(shè)計(jì)流程,按照流程建立了柱盤結(jié)構(gòu)的有限元模型。先分析了網(wǎng)格單元類型及網(wǎng)格密度對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響,實(shí)現(xiàn)了柱盤結(jié)構(gòu)四節(jié)點(diǎn)四面體單元的網(wǎng)格劃分;后對(duì)四節(jié)點(diǎn)四面體的單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行了推導(dǎo),并對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)載荷及約束。另外,比較了SIMP模型和RAMP模型,并分別研究了懲罰因子的取值大小對(duì)懲罰效果的影響。分析了拓?fù)鋬?yōu)化中常見的四種數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象并提出了應(yīng)對(duì)策略。為了避免計(jì)算中的數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象,在SIMP模型中引入了濾波函數(shù),最終建立了柱盤結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型。然后,通過MATLAB的拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)例分別分析了不同懲罰因子p、過濾半徑rmin以及容積率v對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的影響。最后,在研究基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化基本流程的基礎(chǔ)上,用MATLAB軟件將柱盤結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化過程程序化,獲得拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,并給出了幾種不同載荷、約束下的柱盤結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化算例。
【圖文】：

并可以良好的應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案的過程，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員依據(jù)設(shè)計(jì)要求以及自類型工程的參考，再結(jié)合相關(guān)理論進(jìn)行判斷，，進(jìn)而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的結(jié)案之后，設(shè)計(jì)者還需要對(duì)所得出的方案進(jìn)行力學(xué)分析或者按照規(guī)核，繼而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，以求得到更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)方案。這一過量大，耗時(shí)長(zhǎng)，且往往只能得出可行方案，并不能得到最優(yōu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)則是有效地結(jié)合力學(xué)方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。這種設(shè)計(jì)方式主，將參與優(yōu)化的部分轉(zhuǎn)化成變量，從而構(gòu)成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)區(qū)域，再設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)符合要求的優(yōu)化方案。這種方法不僅可以找出可行的選出最好的設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所遵循的，并且大體來說，它們具有相同的設(shè)計(jì)過程。而兩種方法之間所不設(shè)計(jì)缺少相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法衡量設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和安全性；而最標(biāo)確定的前提下，通過計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)。所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在很析、計(jì)算、設(shè)計(jì)、出圖等過程的全自動(dòng)化，十分有效地提高了設(shè)前結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)發(fā)展較為成熟，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，如圖 2-1 所示

變量的形式可分為三個(gè)層次，每個(gè)層次對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)過程中不同的設(shè)計(jì)示。圖 2-2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的三個(gè)層次（1）尺寸優(yōu)化尺寸優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段相對(duì)應(yīng)，該方法對(duì)結(jié)構(gòu)的截面，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)材料，形狀和拓?fù)洳蛔儯鐖D 2-3 所示。就尺寸優(yōu)量簡(jiǎn)單，現(xiàn)有技術(shù)和方法的研究已經(jīng)非常深入，方法較為成熟。結(jié)構(gòu)優(yōu)化（StructureOptimization）尺寸優(yōu)化（Size Optimization）形狀優(yōu)化（Shape Optimization）拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization）詳細(xì)設(shè)計(jì)階（Detailed Design基本設(shè)計(jì)階（Preliminary Des概念設(shè)計(jì)階（Conceptual Desi
【學(xué)位授予單位】：東北電力大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB47;TB115

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10 張冀U

本文編號(hào)：2658926