BESO算法灵敏度权重分析与新型结构设计探讨

发布时间：2020-04-20 18:38

【摘要】：拓扑优化为新型工程结构的开发与设计提供了有效方法与平台。一方面高度繁琐的工程结构要求高效率的设计制造,另一方面满足特定性能要求的工程结构也迫切需要提供轻量型、短周期型和高性能的设计制造方案。而针对以上两点,建立在结构优化设计基础上的连续体渐进拓扑优化方法已经有很长的探索历程,并已在诸多工程领域中得以应用。然而对于传统的拓扑优化方法存在一些经验性计算行为,无法针对优化结果给予准确合理的解释和分析,进而造成不可避免的误差。其次,拓扑优化虽然研究频繁,但大多停留在理论阶段,拓扑结果的各异性使得实际应用并不可观,使得拓扑优化结构的设计制造成为研究热点和难点。为了解决经验性计算的影响,本文引入灵敏度分割比,利用参数化研究探索趋近于准确结果的权重值,同时,基于特定优化方法提出以复杂三维结构和大型薄板结构为主要对象的新型结构设计策略。主要研究工作如下:(1)基于传统双向渐进结构优化方法原理,对比分析并且验证了改进的历史迭代信息平均处理对解的数值影响。之后基于灵敏度经验性平均分割,针对算法在历史迭代过程中灵敏度不同分割比对结构灵敏度和结构刚度的影响进行参数化研究,从而得到更具有实际指导意义的灵敏度权重分割比。与原始历史迭代信息平均处理方法对比发现,灵敏度权重分割比为黄金分割比时历史迭代过程光顺平滑且少有局部极值产生,同时振荡现象明显减弱,且结果收敛性更好。(2)针对传统拓扑优化方法在设计工程结构时周期长、效率低等方面的问题,提出一种新的高效率三维结构结构设计策略。该策略采用一种简洁高效的优化方法进行拓扑优化,然后利用几何逆向反求设计重构模型并对其进行3D打印制造和力学性能试验研究以便重新设计。以典型T结构为例验证所提策略的可实现性,结果表明试验与仿真吻合良好,满足工程刚度需求,可以大大缩短设计制造周期并指导实际生产。(3)为改变新型薄板结构设计的可操作性,提高其可制造性,基于折纸技术和拓扑优化的独特属性提出一种新型薄板结构设计方案。该方法涵盖拓扑设计、结构展开、减材制造和再折叠四个过程。利用所提方案实现了基于特殊纸板的水平折纸和三浦折纸悬臂梁结构拓扑定向设计,结果表明该设计方案提供了更适合于薄金属材料制成的新型结构设计思路。
【图文】：

几何形状,产品,有限元模型,几何形状

结构优化具有迅猛惊人的发展速度，该领域已被大多学者从多个不同的角度进行了广泛的研究。优化的主要价值在于它的研究对象和优化目标，其结构设计的适用性建立在费用、成本、质量、性能等综合指标下，以期获得最佳的解决方案。结构优化方法按设计层次可分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三种类型，具体表现形式分别与图 1.1(a)(b)(c)类似。尺寸参数化优化设计的设计变量是描述产品几何的预定义设置，仅仅只在结构细节方面作微小调整，所以仅适用于产品详细设计阶段。尺寸设计相对来说优化作业方式比较直接，优化迭代期间无需有限元模型重新调整，而当结构有限元模型较大或者分析高度非线性模型时，则必须借助代理模型。形状设计是基于设计人员的设计方案和思路所进行的一类详细设计过程，旨在通过改变结构模型的特定边界满足实现结构模型的某些力学性能。由于产品几何形状于优化过程中有显著变化，，通常需要更改网格节点位置信息从而使有限元模型重新自动划分网格[3]。形状参数化适用于光滑外部边界表示产品几何形状，在航天器设计领域及其他机械产品设计方面已取得较大进展。

边界条件,简支梁,域长,设计域

硕士学位论文例分析梁结构简支梁结构为刚度优化设计对象，如图 2.3 所示。简支梁计域长为 100mm，高为 30mm，厚度为 1mm。采用集中简支梁上端面中点处，幅值为 1KN。材料性能参数设置为比为 0.3，预留材料体积百分比 40%。整体结构设计域采为 3000 个网格，单元尺寸设置为 1ｘ1mm。BESO 方法主 2%，rmin= 3。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB47

【参考文献】