典型大變形柔順機構(gòu)有雙穩(wěn)態(tài)柔順機構(gòu)、柔順吸能機構(gòu)、柔順常力機構(gòu)、微能量收集機構(gòu)等各種類型。這些柔順機構(gòu)在生物醫(yī)療、微機電系統(tǒng)、航空航天等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。目前絕大多數(shù)研究都是集中在尺寸優(yōu)化層面對大變形柔順機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,而在拓撲層面上對大變形柔順機構(gòu)進行研究的卻很少。因此,本文采用拓撲優(yōu)化的方法,對大變形柔順機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。首先,對考慮幾何非線性時拓撲優(yōu)化收斂問題進行了研究。針對完全拉格朗日法求解過程中步長選取困難問題,給出了一種自適應(yīng)步長算法;針對低密度單元收斂過程中的振蕩問題,給出了一種能量插值算法。在此基礎(chǔ)上,通過大變形懸臂梁,反向器的拓撲優(yōu)化數(shù)值算例證實了自適應(yīng)步長算法可以有效提高優(yōu)化過程的收斂性,能量插值方法能較好地抑制低密度單元節(jié)點的位移振蕩。另外,研究表明,針對紡錘肌的拓撲優(yōu)化問題,還需要采用改進本構(gòu)模型的方式抑制肌肉中間密度單元的節(jié)點振蕩。其次,對大型有限元軟件輔助的幾何非線性拓撲優(yōu)化算法進行了研究。針對低剛度區(qū)域計算過程中的過度變形問題,給出了一種增加超彈材料算法;針對拓撲優(yōu)化中柔度的敏度難以提取的問題,提出了一種敏度提取算法,從而大幅度減少了計算敏度時需要提...

【文章頁數(shù)】：120 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
英文縮略詞
第一章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 拓撲優(yōu)化研究現(xiàn)狀
        1.2.1 大變形結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化
        1.2.2 優(yōu)化算法的關(guān)鍵問題
    1.3 大變形柔順機構(gòu)研究現(xiàn)狀
        1.3.1 雙穩(wěn)態(tài)柔順機構(gòu)
        1.3.2 基于胞元的柔順吸能機構(gòu)
    1.4 本文的主要工作
第二章 幾何非線性拓撲優(yōu)化的收斂性研究
    2.1 引言
    2.2 考慮幾何非線性的連續(xù)體限元問題解法
    2.3 拓撲優(yōu)化模型
    2.4 解決有限元問題難收斂的方法
        2.4.1 能量插值方法
        2.4.2 自適應(yīng)步長算法
        2.4.3 改進的本構(gòu)模型方法
    2.5 數(shù)值算例
        2.5.1 大變形懸臂梁設(shè)計
        2.5.2 大變形反向器設(shè)計
        2.5.3 紡錘肌設(shè)計
    2.6 本章小結(jié)
第三章 幾何非線性拓撲優(yōu)化的敏度提取研究
    3.1 引言
    3.2 拓撲優(yōu)化模型
        3.2.1 有限元模型
    3.3 應(yīng)變能差法提取柔度的敏度
    3.4 優(yōu)化結(jié)果
        3.4.1 懸臂結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化
        3.4.2 兩端固定梁的拓撲優(yōu)化
        3.4.3 反向器的拓撲優(yōu)化
    3.5 拓展方法
    3.6 重分析加速
    3.7 本章小結(jié)
第四章 雙穩(wěn)態(tài)柔順機構(gòu)拓撲優(yōu)化
    4.1 引言
    4.2 拓撲優(yōu)化模型
    4.3 應(yīng)變能差法提取支反力的敏度
    4.4 優(yōu)化結(jié)果
    4.5 實驗驗證
    4.6 本章小結(jié)
第五章 基于胞元的柔順吸能機構(gòu)拓撲優(yōu)化
    5.1 引言
    5.2 優(yōu)化模型
        5.2.1 胞元與柔順吸能機構(gòu)的力-位移曲線的關(guān)系
        5.2.2 胞元的優(yōu)化模型
    5.3 優(yōu)化模型的解法
        5.3.1 拓撲描述方法
        5.3.2 兩階段算法
        5.3.3 敏度分析
    5.4 數(shù)值算例
        5.4.1 高能量耗散胞元的設(shè)計
        5.4.2 高空間利用率胞元的設(shè)計
        5.4.3 自恢復(fù)胞元的設(shè)計
        5.4.4 對比分析
    5.5 單個胞元力-位移曲線實驗
    5.6 本章小結(jié)
總結(jié)與展望
參考文獻
附錄
    附錄1 213行幾何非線性拓撲優(yōu)化程序
攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果
致謝
附件



本文編號：3967402