本文關鍵詞：不確定性條件下的汽車結構拓撲優(yōu)化設計研究

  更多相關文章： 汽車 輕量化設計 拓撲優(yōu)化 不確定性 稀疏網(wǎng)格技術

【摘要】：隨著環(huán)保與節(jié)能壓力的日益加劇,汽車輕量化設計已成為當前汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢之一,其技術途徑主要有:結構設計優(yōu)化、輕質材料應用、先進性制造工藝的引入等。其中,以拓撲優(yōu)化方法為代表的先進結構設計技術在汽車輕量化設計領域起到關鍵的引領作用。然而,在結構設計優(yōu)化過程中廣泛存在各類不確定性因素,如幾何尺寸、初邊值條件、材料屬性、載荷工況以及計算模型等,這些不確定信息勢必會引起結構的性能波動,甚至導致功能失效。這就意味著,基于確定性的結構拓撲優(yōu)化設計方法進行汽車輕量化設計遇到局限性。因此,對汽車拓撲優(yōu)化的理論和方法創(chuàng)新提出更高的要求。針對上述需求,本文圍繞連續(xù)體結構不確定性拓撲優(yōu)化方法在汽車輕量化設計中的應用問題進行研究,主要的工作內容包括:(1)針對連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化過程中出現(xiàn)的數(shù)值不穩(wěn)定問題,提出基于線性擴散偏微分方程的過濾方法,根據(jù)數(shù)值不穩(wěn)定問題產(chǎn)生的本質特征以及偏微分方程的作用機理,確定偏微分方程模型在拓撲優(yōu)化循環(huán)中的嵌入模式,構建三類求解策略:顯式有限差分法、半隱式有限體積法與全隱式有限單元法,解決了棋盤格格式與網(wǎng)格依賴性等問題。進而,提出基于各向異性擴散偏微分方程的過濾方法,有效改善了棋盤格格式、網(wǎng)格依賴性以及灰度單元等問題的出現(xiàn),通過構建適宜的邊緣函數(shù),實現(xiàn)了拓撲構型邊界輪廓增強。(2)針對汽車輕量化設計的可靠性問題,提出基于可靠性分析前置-單層解耦格式的可靠性拓撲優(yōu)化設計方法,建立了可靠性拓撲優(yōu)化設計數(shù)學模型的一般性表述。歸納總結雙層嵌套格式、單層融合格式與單層解耦格式的優(yōu)缺點和適用范圍。將所提方法應用于汽車懸架系統(tǒng)下控制臂拓撲優(yōu)化設計中所面臨的載荷工況與材料屬性不確定性問題,實現(xiàn)了可靠性分析與輕量化設計的有機結合,解決了拓撲優(yōu)化過程中繁瑣的可靠性分析;具有良好的計算效率和計算精度,可以在可靠性與計算成本之間達到良好的折衷;同時程序編制相對簡便,易于借助現(xiàn)有的商業(yè)軟件實現(xiàn),所提出的可靠性拓撲優(yōu)化設計方法具備良好的工程實用價值。(3)針對汽車輕量化設計中的穩(wěn)健性問題,提出基于稀疏網(wǎng)格技術的穩(wěn)健拓撲優(yōu)化設計方法,依據(jù)積分法則,構建三類典型的稀疏網(wǎng)格模型:Trapezoidal型、Clenshaw-Curtis型與Causs-Patterson型。歸納總結概率型與非概率穩(wěn)健拓撲優(yōu)化設計數(shù)學模型的一般性表述。將所提方法應用于控制臂拓撲優(yōu)化設計中所面臨的載荷工況不確定性問題,實現(xiàn)了穩(wěn)健設計中的統(tǒng)計矩精確估計,有效緩解了積分點數(shù)目對隨機變量維數(shù)的依賴性,解決了不確定性分析中高維變量所引起的“維數(shù)災難”和計算誤差;能夠保證結構性能指標最優(yōu)的同時,有效降低性能指標對不確定性擾動的敏感度;具有良好的計算效率和收斂精度,能夠在穩(wěn)健性與計算成本之間達到良好的折衷,所提出的穩(wěn)健設計方法具備良好的工程適用性。
【關鍵詞】：汽車 輕量化設計 拓撲優(yōu)化 不確定性 稀疏網(wǎng)格技術
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U462
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 國內外研究概況和發(fā)展趨勢13-19
• 1.2.1 拓撲優(yōu)化理論與方法的發(fā)展13-15
• 1.2.2 拓撲優(yōu)化中數(shù)值不穩(wěn)定問題的抑制策略15-16
• 1.2.3 拓撲優(yōu)化方法在汽車輕量化設計領域的應用16-17
• 1.2.4 基于不確定性理論的拓撲優(yōu)化方法研究17-19
• 1.3 本文主要研究內容19-21
• 1.4 課題來源21-22
• 第二章 連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化理論22-50
• 2.1 拓撲優(yōu)化問題的材料插值模型22-25
• 2.1.1 均勻化方法22-23
• 2.1.2 變密度法23-25
• 2.2 拓撲優(yōu)化問題的數(shù)值求解算法25-32
• 2.2.1 優(yōu)化準則法26-29
• 2.2.2 移動漸進線法29-31
• 2.2.3 優(yōu)化準則法與移動漸近線法的性能對比31-32
• 2.3 穩(wěn)態(tài)問題靈敏度分析方法32-34
• 2.3.1 直接微分法32-33
• 2.3.2 伴隨變量法33
• 2.3.3 有限差分法33-34
• 2.4 抑制數(shù)值不穩(wěn)定問題的處理策略34-49
• 2.4.1 數(shù)值不穩(wěn)定問題34-36
• 2.4.2 基于圖像處理模板卷積的過濾方法36
• 2.4.3 基于Helmholtz方程的過濾方法36
• 2.4.4 基于線性擴散方程的過濾方法36-42
• 2.4.5 拓撲優(yōu)化算例與結果分析42-45
• 2.4.6 基于各向異性擴散方程的過濾方法45-47
• 2.4.7 拓撲優(yōu)化算例與結果分析47-49
• 2.5 本章小結49-50
• 第三章 不確定性分析方法50-66
• 3.1 不確定性的來源及其分類50-51
• 3.2 不確定性的建模方法51-54
• 3.2.1 概率模型理論51-52
• 3.2.2 區(qū)間與凸模型理論52-53
• 3.2.3 模糊模型理論53-54
• 3.3 不確定性分析分類54-65
• 3.3.1 隨機抽樣法55
• 3.3.2 數(shù)值積分法55-56
• 3.3.3 近似解析法56-58
• 3.3.4 試驗設計58-59
• 3.3.5 隨機響應面法59-61
• 3.3.6 稀疏網(wǎng)格技術61-65
• 3.4 本章小結65-66
• 第四章 連續(xù)體結構不確定性拓撲優(yōu)化設計66-90
• 4.1 可靠性拓撲優(yōu)化設計66-80
• 4.1.1 可靠性拓撲優(yōu)化問題變量描述67-68
• 4.1.2 可靠性拓撲優(yōu)化數(shù)學模型68-69
• 4.1.3 雙層嵌套格式69-71
• 4.1.4 單層融合格式71-72
• 4.1.5 可靠性分析前置 單層解耦格式72-74
• 4.1.6 可靠性分析后置 單層解耦格式74-75
• 4.1.7 算例驗證75-80
• 4.2 穩(wěn)健拓撲優(yōu)化設計80-89
• 4.2.1 穩(wěn)健拓撲優(yōu)化問題變量描述81
• 4.2.2 概率型穩(wěn)健拓撲優(yōu)化設計81-82
• 4.2.3 非概率型穩(wěn)健拓撲優(yōu)化82-83
• 4.2.4 算例驗證83-89
• 4.3 本章小結89-90
• 第五章 汽車不確定性拓撲優(yōu)化設計90-112
• 5.1 底盤懸架控制臂有限元模型90-92
• 5.1.1 控制臂設計空間的確定91
• 5.1.2 控制臂材料屬性與邊界條件的確定91-92
• 5.2 控制臂可靠性拓撲優(yōu)化設計92-101
• 5.2.1 控制臂結構確定性設計92-93
• 5.2.2 控制臂結構可靠性設計93-96
• 5.2.3 控制臂結構模型重構96
• 5.2.4 控制臂結構性能驗證96-101
• 5.3 控制臂穩(wěn)健拓撲優(yōu)化設計101-110
• 5.3.1 控制臂結構確定性設計101-102
• 5.3.2 控制臂結構穩(wěn)健設計102-106
• 5.3.3 控制臂結構模型重構106
• 5.3.4 控制臂結構性能驗證106-110
• 5.4 本章小結110-112
• 第六章 總結與展望112-116
• 6.1 全文總結112-114
• 6.2 主要創(chuàng)新點114
• 6.3 研究展望114-116
• 參考文獻116-126
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單126-128
• 致謝128

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 周克民,胡云昌;利用變厚度單元進行平面連續(xù)體的拓撲優(yōu)化[J];天津城市建設學院學報;2001年01期

2 周克民,胡云昌;用可退化有限單元進行平面連續(xù)體拓撲優(yōu)化[J];應用力學學報;2002年01期

3 左孔天,王書亭,張云清,陳立平;拓撲優(yōu)化中兩類不同優(yōu)化數(shù)值算法的研究[J];華中科技大學學報(自然科學版);2004年09期

4 陳茹雯;淺談拓撲優(yōu)化[J];機電信息;2004年20期

5 邢素芳,桑建兵;基于MSC.Nastran-optishape拓撲優(yōu)化的應用研究[J];河北工業(yè)大學學報;2005年05期

6 葛文杰;黃杰;楊方;;拓撲優(yōu)化技術及其在汽車設計中的應用[J];機床與液壓;2007年08期

7 杜發(fā)榮;張博;;拓撲優(yōu)化理論在活塞結構設計中的應用[J];小型內燃機與摩托車;2007年05期

8 李志鑫;李小清;陳學東;陳鹿民;;基于頻率約束的連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法的研究[J];華中科技大學學報(自然科學版);2008年02期

9 劉慶;侯獻軍;;基于HyperMesh/OptiStruct的汽車零部件結構拓撲優(yōu)化設計[J];裝備制造技術;2008年10期

10 劉辛軍;李枝東;陳祥;;多工況拓撲優(yōu)化問題的一種新解法——導重法[J];中國科學:技術科學;2011年07期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 龍凱;肖濤;左正興;;動柔順度最小目標下的連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法[A];第九屆全國振動理論及應用學術會議論文集[C];2007年

2 曾金玲;;拓撲優(yōu)化技術在發(fā)動機零部件設計中的應用[A];結構及多學科優(yōu)化工程應用與理論研討會’2009（CSMO-2009）論文集[C];2009年

3 邵沛澤;葉紅玲;陳寧;隋允康;;兩種不同過濾函數(shù)屈曲拓撲優(yōu)化模型理論推導[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

4 李剛;;結構的多目標全局拓撲優(yōu)化——收斂性與效率準則[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

5 谷葉水;楊萬里;鄧曉龍;;發(fā)動機附件支架多工況拓撲優(yōu)化研究[A];結構及多學科優(yōu)化工程應用與理論研討會’2009（CSMO-2009）論文集[C];2009年

6 尚珍;隋允康;鐵軍;葉紅玲;;過濾函數(shù)間關系對拓撲優(yōu)化效率影響的初步研究[A];北京力學會第18屆學術年會論文集[C];2012年

7 黃永旺;袁登木;;多目標拓撲優(yōu)化技術在汽車行業(yè)中的應用[A];第七屆中國CAE工程分析技術年會暨2011全國計算機輔助工程（CAE）技術與應用高級研討會論文集[C];2011年

8 顧亦磊;陳昌亞;;拓撲優(yōu)化技術在桁架設計中的應用[A];結構及多學科優(yōu)化工程應用與理論研討會’2009（CSMO-2009）論文集[C];2009年

9 朱繼宏;張衛(wèi)紅;;基于單元替換的結構漸進拓撲優(yōu)化方法[A];中國力學學會學術大會'2005論文摘要集（下）[C];2005年

10 豆麟龍;尹益輝;;考慮材料非線性的拓撲優(yōu)化研究綜述[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 高文;工業(yè)結構設計的新手段[N];計算機世界;2008年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 高興軍;穩(wěn)定性約束下連續(xù)體結構兩尺度拓撲優(yōu)化[D];華南理工大學;2015年

2 蔡守宇;基于高精度建模分析的形狀/拓撲優(yōu)化方法[D];西北工業(yè)大學;2015年

3 趙飛;基于無網(wǎng)格和點密度方法的連續(xù)體與多相材料拓撲優(yōu)化研究[D];西安電子科技大學;2015年

4 趙清海;不確定性條件下的汽車結構拓撲優(yōu)化設計研究[D];北京理工大學;2016年

5 胡三寶;多學科拓撲優(yōu)化方法研究[D];華中科技大學;2011年

6 陳志敏;基于文化基因算法的拓撲優(yōu)化方法及其關鍵技術研究[D];華中科技大學;2010年

7 王曉明;特定功能結構的拓撲優(yōu)化[D];大連理工大學;2010年

8 李順利;無網(wǎng)格自然鄰接點Petrov-Galerkin法及其在結構分析和拓撲優(yōu)化中的應用[D];湖南大學;2011年

9 韋勇;阻尼結構的建模、識別和拓撲優(yōu)化研究[D];南京航空航天大學;2006年

10 徐勝利;基于拓撲優(yōu)化的結構剛度和滲流多功能材料設計[D];大連理工大學;2010年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 高瑜;基于非線性分析的拓撲優(yōu)化設計研究[D];西安建筑科技大學;2015年

2 王路;基于可靠性的懸架控制臂拓撲優(yōu)化[D];北京理工大學;2015年

3 王尚;考慮載荷大小和方向不確定性的連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化[D];大連理工大學;2015年

4 李鵬;結構元件的隨機可靠性拓撲優(yōu)化[D];南京航空航天大學;2014年

5 鄧維敏;微型車車門輕量化設計與焊點布局拓撲優(yōu)化[D];重慶交通大學;2015年

6 劉奇良;EFG法及其拓撲優(yōu)化的GPU并行計算研究[D];湘潭大學;2015年

7 相萌;空間反射鏡拓撲優(yōu)化及其支撐技術研究[D];中國科學院研究生院(西安光學精密機械研究所);2015年

8 劉婉秋;桿系結構基于可靠性的拓撲優(yōu)化研究[D];大連理工大學;2006年

9 曾興國;基于移動粒子法的連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化研究[D];湘潭大學;2011年

10 周常榮;移動粒子法拓撲優(yōu)化效率影響因素的研究[D];湘潭大學;2012年

，

本文編號：940726