本文關(guān)鍵詞：多載荷條件下結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化特性的研究

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【摘要】：結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化主要研究在各種邊界條件和約束條件下如何確定連續(xù)體結(jié)構(gòu)的邊界形狀,以最大可能來降低應(yīng)力集中現(xiàn)象,進(jìn)而提高連續(xù)體結(jié)構(gòu)的承載能力或延長該結(jié)構(gòu)的使用壽命。對于結(jié)構(gòu)在單一載荷作用下的形狀優(yōu)化問題的研究,目前已取得了大量成果,如單一載荷條件下的最優(yōu)準(zhǔn)則,各種優(yōu)化方法等。然而實際上,由于環(huán)境的變化、制造與裝配的偏差、與時間相關(guān)的摩擦與磨損等影響,結(jié)構(gòu)或零件在其服役期內(nèi)經(jīng)常受到變化的載荷作用。而有實踐驗證基于單一載荷作用下獲得的優(yōu)化形狀會變得不利于抵抗這種外部變化的載荷,因此,開展對多載荷作用下結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化問題的研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。優(yōu)化是一個起始于初始狀態(tài),經(jīng)過多次迭代逐漸逼近最優(yōu)解的過程；反之,從結(jié)構(gòu)的最優(yōu)狀態(tài)出發(fā),如果能夠通過理論分析或邏輯推理獲取最優(yōu)狀態(tài)所反映的一些特征信息,進(jìn)而將這些信息結(jié)合到優(yōu)化算法中,這無疑對解決優(yōu)化問題有極大幫助�；谶@一思路,本文對以獲取設(shè)計邊界上最小的最大應(yīng)力為目標(biāo)的多載荷作用下結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化問題的最優(yōu)形狀特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。本文以彈性力學(xué)的經(jīng)典問題一一無限大平面中心孔的應(yīng)力集中問題為例,借助有限元分析軟件Ansys12.0平臺的優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化仿真分析,且為提高分析效率,整個分析過程采用參數(shù)化語言命令(APDL)。首先,對單載荷條件下結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化最優(yōu)特性(最優(yōu)狀態(tài)下優(yōu)化設(shè)計邊界上的應(yīng)力分布均勻)進(jìn)行了理論證明并借助軸肩過渡曲線的優(yōu)化仿真分析結(jié)果進(jìn)行驗證,接著基于這一特性提出了多載荷條件下結(jié)構(gòu)形狀最優(yōu)的必要條件：在各個有效載荷的獨(dú)立作用下,最優(yōu)設(shè)計邊界上對應(yīng)的最大應(yīng)力值相等。然后,采用逆向邏輯推理方法對其進(jìn)行了證明,并提出單自變量連續(xù)變化載荷存在唯一有效載荷的條件：最大應(yīng)力包絡(luò)線函數(shù)為單調(diào)函數(shù)或單峰值函數(shù)；同時,對幾種典型的多載荷結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化問題分別進(jìn)行了優(yōu)化仿真分析,結(jié)果表明：①載荷作用方向或作用位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化時,存在唯一有效載荷；②多個有效載荷獨(dú)立作用時,最優(yōu)狀態(tài)下對應(yīng)的最大應(yīng)力值相等,進(jìn)一步驗證了所提出的最優(yōu)形狀特性的正確性。最后,分析討論了利用上述提出的最優(yōu)特性來降低這類優(yōu)化問題難度的可能性,研究發(fā)現(xiàn),在某些情況下多載荷優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)換為單一載荷條件下的優(yōu)化問題。
【關(guān)鍵詞】：結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化 多載荷作用 優(yōu)化準(zhǔn)則 優(yōu)化特性 應(yīng)力集中
【學(xué)位授予單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH122
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 緒論8-15
• 1.1 研究意義和背景8-10
• 1.2 國內(nèi)外多載荷結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的研究現(xiàn)狀10-13
• 1.3 多載荷結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化特性研究思路的來源13-14
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容14-15
• 第二章 有限元方法和優(yōu)化軟件ANSYS介紹15-19
• 2.1 有限元方法的基本思想15
• 2.2 有限元方法的現(xiàn)狀、發(fā)展和未來15-16
• 2.3 有限元軟件的介紹16-17
• 2.4 APDL介紹17-18
• 2.5 本章小結(jié)18-19
• 第三章 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化原理與方法19-29
• 3.1 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化方法20-21
• 3.1.1 參數(shù)化形狀優(yōu)化方法20-21
• 3.1.2 非參數(shù)形狀優(yōu)化方法21
• 3.2 形狀優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型21-25
• 3.2.1 設(shè)計變量22
• 3.2.2 約束條件(狀態(tài)變量)22-23
• 3.2.3 目標(biāo)函數(shù)23
• 3.2.4 問題公式化23-24
• 3.2.5 優(yōu)化設(shè)計問題的基本解法24-25
• 3.3 形狀優(yōu)化中邊界形狀的描述方法25-26
• 3.3.1 型值點(diǎn)位置描述法25
• 3.3.2 節(jié)點(diǎn)描述法25
• 3.3.3 參數(shù)式解析方程法25-26
• 3.4 ANSYS結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化方法及收斂準(zhǔn)則26-27
• 3.4.1 零階優(yōu)化方法26
• 3.4.2 一階優(yōu)化方法26-27
• 3.4.3 ANSYS優(yōu)化迭代的收斂準(zhǔn)則27
• 3.5 本章小結(jié)27-29
• 第四章 單一載荷條件下結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化特性29-36
• 4.1 理論證明29-30
• 4.2 仿真分析驗證30-33
• 4.2.1 參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計的流程30-31
• 4.2.2 優(yōu)化設(shè)計邊界的參數(shù)描述方法31-33
• 4.3 結(jié)果與討論33-35
• 4.4 本章小結(jié)35-36
• 第五章 多載荷條件下結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化特性36-43
• 5.1 多載荷的分類36
• 5.2 多載荷下結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化特性研究原理36-37
• 5.3 多載荷的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化特性的應(yīng)用37-38
• 5.4 關(guān)于優(yōu)化特性的理論證明38-41
• 5.4.1 兩個有效載荷獨(dú)立作用38-39
• 5.4.2 三個有效載荷獨(dú)立作用39-41
• 5.4.3 單自變量連續(xù)變化載荷存在唯一有效載荷的條件41
• 5.5 本章小結(jié)41-43
• 第六章 帶孔薄板的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化仿真分析43-57
• 6.1 有限元模型43
• 6.2 實例分析結(jié)果與討論43-55
• 6.2.1 中心孔板受變方向集中載荷作用43-49
• 6.2.2 中心孔板受變位置集中載荷作用49-51
• 6.2.3 中心孔板受多個獨(dú)立分布載荷作用51-55
• 6.3 本章小結(jié)55-57
• 第七章 結(jié)論與展望57-59
• 7.1 研究工作的總結(jié)57
• 7.2 工作展望57-59
• 參考文獻(xiàn)59-62
• 致謝62-63
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文63-64

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本文編號：880553