简谐响应拓扑优化方法研究及其在正向设计中的应用

发布时间：2020-11-01 14:17

　　在传统设计中,动刚度、疲劳强度等振动响应性能一般作为设计后期校核指标。事实上,结构基本形式确定以后,其性能可优化空间十分有限,尤其是应用弹性模量及屈服强度较低的轻质铝合金进行轻量化设计时,其振动响应性能在设计后期的提升一般以结构重量增加为代价,且不一定有良好的提升效果。因此,在设计前期,除了静态性能要求,有必要考虑振动响应性能要求进行拓扑优化设计,为后期振动响应性能及轻量化效果的提升奠定良好的结构基础。本文考虑简谐振动响应性能进行拓扑优化设计,重点研究其精度、效率以及较高频率激励下拓扑优化结果不合理等问题;同时,研究拓扑优化问题的多目标规划方法,在已有正向设计体系上结合简谐响应拓扑优化技术进行铝合金副车架开发。(1)针对简谐响应拓扑优化的精度、效率问题,对比模态加速度法与模态位移法的效率及精度,选择模态加速度法进行优化问题的响应分析,基于Optistruct的SIMP材料插值模型和梯度寻优算法,以简单结构为对象进行优化设计,并与以模态频率或静刚度为目标的间接优化方案进行对比,突出该优化技术的优势。(2)重点研究高频简谐激励下拓扑优化结果不清晰、刚度差的问题成因,在已有研究基础上提出以体积分数和低频振动位移响应幅值为约束、以高频振动位移响应幅值最小化为目标的改进思路,并应用于频段简谐激励下的拓扑优化问题,为考虑较高频率振动响应性能进行正向设计奠定基础。(3)基于折衷规划法进行多目标拓扑优化,研究子目标权重对优化结果的影响,利用层次—变异系数复合赋权法代替经验赋权法,基于Excel函数库和VBA程序开发功能创建Excel权重计算模块,实现权重计算的程序化。(4)基于上述研究,考虑副车架极限承载及关键位置振动响应能力,以车身安装点动态刚度、典型工况静强度及轻量化要求为设计目标,对标某款宝马轿车铝合金副车架,建立副车架拓扑优化设计流程,完成铝合金副车架正向设计及性能分析,结果表明,正向设计的副车架基本性能满足设计要求,且动态刚度与对标产品相当,重量减轻3%,为简谐响应拓扑优化方法的工程可行性提供实践例证,也为应用铝合金实现汽车轻量化提供设计参考。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH122;U463.324
【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号表
第一章绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状及进展
        1.2.1 简谐振动响应拓扑优化
        1.2.2 基于折衷规划的多目标拓扑优化
        1.2.3 铝合金汽车零部件的应用研究
    1.3 课题来源及研究内容
    1.4 研究技术路线
第二章简谐响应拓扑优化研究及应用
    2.1 简谐振动理论
        2.1.1 单自由度系统简谐振动
        2.1.2 多自由度系统简谐振动
    2.2 简谐响应分析方法
        2.2.1 模态位移法
        2.2.2 模态加速度法
        2.2.4 不同分析方法对比
    2.3 拓扑优化模型理论
        2.3.1 SIMP材料插值模型
        2.3.2 求解策略
        2.3.3 Optistruct拓扑优化流程
    2.4 简谐响应拓扑优化方法应用
        2.4.1 优化函数模型
        2.4.2 应用实例
        2.4.3 应用效果对比验证
    2.5 本章小结
第三章高频简谐响应拓扑优化的问题分析及改进
    3.1 某一高频激励下的拓扑优化实例
    3.2 优化结果不合理的原因剖析
    3.3 改进方法及验证
    3.4 频段激励下的拓扑优化
        3.4.1 优化函数模型
        3.4.2 应用实例
    3.5 本章小结
第四章综合赋权法在多目标拓扑优化中的应用
    4.1 多目标拓扑优化设计问题
        4.1.1 多目标设计问题概述
        4.1.2 多目标拓扑优化问题求解策略
    4.2 基于折衷规划法的多目标拓扑优化
        4.2.1 基本优化流程
        4.2.2 权重组合的影响
        4.2.3 赋权方法计算原理
        4.2.4 赋权方法应用
        4.2.5 Excel权重计算程序
    4.3 本章小结
第五章简谐响应拓扑优化在铝合金副车架设计中的应用
    5.1 副车架设计概述
        5.1.1 副车架设计要求
        5.1.2 副车架动刚度分析方法
    5.2 铝合金副车架多目标拓扑优化设计
        5.2.1 副车架拓扑优化设计流程
        5.2.2 拓扑空间定义
        5.2.3 静态拓扑工况
        5.2.4 动态拓扑工况
        5.2.5 优化问题建模
        5.2.6 单目标拓扑优化
        5.2.7 权重计算
        5.2.8 拓扑优化结果
    5.3 铝合金副车架结构设计及性能校核
        5.3.1 结构设计
        5.3.2 基本性能分析
    5.4 本章小结
总结与展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的研究成果
致谢
附件

【参考文献】

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