桁架结构拓扑优化的理论与应用研究
[Abstract]:Truss structure has the characteristics of light weight, low cost and simple construction. It has been widely used in engineering. Its fields include construction machinery, bridge design, construction support, building structure, aqueduct, gate support, transmission grid and so on. It is playing an increasingly important role in engineering construction. The main and secondary mirrors of large and medium-sized space optical cameras in foreign countries usually adopt truss structure. The design idea is based on the structural optimization design principle that the bending load is tension and compression load. The truss structure has the advantages of high specific stiffness, light weight and suitable for the layout of long focal length optical system. The traditional method to obtain the optimal truss layout is to use the approximate truss-like results of continuum topology optimization, but it has some shortcomings such as equivalence uncertainty, unknown size parameters and so on. The direct use of truss topology optimization can effectively avoid these problems. The truss topology optimization method is an effective way to apply to practical engineering problems. On this basis, the truss design of the key components of theodolite is carried out, that is, truss structure is used instead of continuum structure to ensure other performance unchanged while minimizing the overall structure weight to provide its quantitative design scheme. The following work: Research on the construction of truss foundation structure with arbitrary shape design area: In view of the complex and irregular shape of Engineering problems, the method of constructing truss foundation structure based on finite element mesh is extended and improved. By combining with graphic collision detection technology and using discrete approximation method, the method of containing arbitrary number of concave shapes is successfully realized. The construction of a hierarchical/full-level connection base structure for a complex design region with a shape is described. Based on the coordinate difference between nodes, the overlapping members can be found quickly and efficiently. In addition, by combining the superposition criterion of component loads, this method is successfully extended to the case of multi-load cases. Large-scale truss plastic design is fast. Research on the method of quick solution: Aiming at the problem of large number of truss full connecting rods and time-consuming calculation, the traditional method of adding rods is improved and perfected. In addition, by combining the principal stress trace method with the reasonable iterative termination conditions, the phenomenon of "pseudo-displacement" in the traditional method of adding bars is solved, which greatly improves the efficiency of plastic design of large-scale trusses. The equivalent semi-definite programming model of truss elastic design with minimum weight as the objective, flexibility as the constraint and maximum stiffness as the objective and volume as the constraint is deduced. The consistency of the two topological optimization results is proved by numerical examples and theoretical derivation. Research on the lightweight scheme of the key components of photoelectric theodolite: The working characteristics of the turntable and the four-way connection of the photoelectric theodolite and their connection with other components are analyzed. A reasonable mesh discrete model and truss base structure are established. The plastic and elastic topology optimization of the truss are carried out. As a supplement, continuum topology optimization is also carried out. The lightweight scheme of truss structure is established by comparing the results of optimization. Then the improved structure is verified by finite element analysis. The results show that the lightweight scheme not only meets the requirements, but also greatly reduces the weight of the structure and achieves the initial design expectations.
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB21
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,本文编号:2198519
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