本文關(guān)鍵詞：基于并行策略的多材料柔順機構(gòu)拓撲優(yōu)化設計與研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著科學技術(shù)的發(fā)展,人們對材料的使用提出越來越高的要求,單一的金屬、非金屬或有機高分子材料往往不能滿足人們的設計需要,而由多種不同特性材料組成的多功能材料在工程實際中具有日益廣泛的應用前景。因此,如何將各種不同特性的材料及孔洞合理配置,優(yōu)化材料微觀結(jié)構(gòu)的形狀拓撲關(guān)系,得到即符合設計需求又節(jié)省材料的新結(jié)構(gòu)將備受人們青睞。在這一背景下,本文基于并行策略對多材料柔順機構(gòu)的拓撲優(yōu)化設計進行研究。論文首先詳細地闡述了材材料剛度線性可加性理論,為多材料拓撲優(yōu)化中剛度的線性疊加計算提供了理論基礎和合理性證明。之后將控制決策系統(tǒng)中的遞階優(yōu)化理論中應用最為廣泛的二級遞階優(yōu)化模型引入,提出并行策略求解多材料柔順機構(gòu)拓撲優(yōu)化的方法。針對該方法求解多材料柔順機構(gòu)拓撲優(yōu)化時出現(xiàn)的過飽和單元問題,提出了一種剛度擴散的方法解決,可以將多個分立的單材料子問題協(xié)調(diào)統(tǒng)一起來,最后得到原始的多材料優(yōu)化問題的解。其次,在并行策略求解多材料柔順機構(gòu)拓撲優(yōu)化理論方法的基礎上,本文提出了一種新的材料-目標輸出對應關(guān)系,研究了柔順機構(gòu)領(lǐng)域廣泛關(guān)注的多輸出優(yōu)化問題。并且將并行策略的多材料拓撲優(yōu)化方法與順序耦合分析方法結(jié)合,提出了一種多場耦合下的多材料拓撲優(yōu)化設計方法,研究了熱固耦合下的多材料熱驅(qū)動器的設計問題。最后,論文詳細介紹了基于SIMP法拓撲優(yōu)化結(jié)果中灰度單元的幾種處理方法,對其原理和優(yōu)劣進行了對比分析。之后提出了一種邊界重構(gòu)算法,核心思想在于保證體積比不變,主要包括灰度單元收縮,邊界搜索與移動和邊界平滑三個階段。在邊界平滑階段,采用了三次樣條插值對新邊界進行平滑處理。最后將該方法用于多材料柔順機構(gòu)的邊界重構(gòu)處理中。通過實驗方法將本文提出的多材料拓撲優(yōu)化方法設計得到的多材料柔順機構(gòu)與單材料柔順機構(gòu)對比,說明本文所提出的方法有效性。
【關(guān)鍵詞】：柔順機構(gòu) 拓撲優(yōu)化 SIMP法 可靠性 三次樣條
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH112
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 研究背景11
• 1.2 柔順機構(gòu)及其設計方法11-15
• 1.2.1 偽剛體模型12-13
• 1.2.2 拓撲優(yōu)化13-15
• 1.3 柔順機構(gòu)拓撲優(yōu)化的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-18
• 1.4 本課題的研究意義18-19
• 1.5 本文的主要研究工作19-21
• 第二章 基于并行策略的拓撲優(yōu)化理論21-49
• 2.1 引言21
• 2.2 材料剛度線性可加性理論21-22
• 2.3 并行策略的多材料拓撲優(yōu)化——理論基礎22-31
• 2.3.1 基于SIMP法的拓撲優(yōu)化數(shù)學模型22-25
• 2.3.2 遞階優(yōu)化25-27
• 2.3.3 基于兩級遞階模型的多材料并行優(yōu)化策略27-30
• 2.3.4 收斂性判斷與數(shù)值不穩(wěn)定問題30-31
• 2.4 過飽和單元的剛度擴散方法31-35
• 2.4.1 過飽和單元的產(chǎn)生機理31
• 2.4.2 剛度擴散算法設計31-33
• 2.4.3 單元剛度矩陣求解33-35
• 2.5 合理性證明35-36
• 2.6 數(shù)值算例36-47
• 2.6.1 反向器36-40
• 2.6.2 卷縮器40-42
• 2.6.3 夾持器42-46
• 2.6.4 討論46-47
• 2.7 本章小結(jié)47-49
• 第三章 多材料柔順機構(gòu)多輸出拓撲優(yōu)化49-65
• 3.1 引言49
• 3.2 多輸出問題的概述49-50
• 3.3 多輸出問題的傳統(tǒng)解決方案50-52
• 3.4 多輸出問題的并行優(yōu)化策略52-56
• 3.4.1 材料-輸出目標的對應關(guān)系53-54
• 3.4.2 基于并行策略的模型求解54-56
• 3.5 數(shù)值算例56-60
• 3.5.1 雙材料夾持器56-57
• 3.5.2 雙材料多向器57-58
• 3.5.3 三材料多向器58-60
• 3.6 三維多輸出柔順機構(gòu)拓撲優(yōu)化設計60-63
• 3.7 本章小結(jié)63-65
• 第四章 多材料柔順機構(gòu)熱固耦合拓撲優(yōu)化65-77
• 4.1 引言65
• 4.2 平面彈性熱應力問題65-68
• 4.2.1 彈性熱應力問題的平衡方程66-67
• 4.2.2 單元匹配與等效節(jié)點熱載荷67-68
• 4.3 熱固耦合理論分析與建模68-70
• 4.3.1 耦合場有限元分析68-69
• 4.3.2 應力場敏度分析69-70
• 4.4 數(shù)值算例70-75
• 4.4.1 雙材料熱驅(qū)動器71-73
• 4.4.2 有約束區(qū)域的雙材料熱驅(qū)動器73-74
• 4.4.3 三材料熱驅(qū)動器74-75
• 4.5 本章小結(jié)75-77
• 第五章 多材料柔順機構(gòu)邊界重構(gòu)算法研究77-93
• 5.1 引言77
• 5.2 灰度單元問題概述77-80
• 5.3 邊界重構(gòu)算法設計80-84
• 5.3.1 灰度單元收縮80-82
• 5.3.2 邊界單元搜索與移動82-83
• 5.3.3 邊界平滑83-84
• 5.4 有效性驗證84-85
• 5.5 多材料柔順機構(gòu)邊界重構(gòu)85-86
• 5.6 實驗86-91
• 5.7 本章小結(jié)91-93
• 總結(jié)與展望93-95
• 參考文獻95-102
• 攻讀碩士學位期間取得的研究成果102-103
• 致謝103-104
• 附件104

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