考虑表面层异质及其不确定性的增材制造结构拓扑优化方法

发布时间：2022-02-10 15:10

　　高端装备制造业的发展需要结合新的设计方法和制造技术,以实现设计制造一体化。拓扑优化是以功能驱动的创新设计方法,不依赖于初始构型,可以获得新颖且具有高性能的结构设计方案。增材制造技术在计算机控制下基于CAD模型逐层累积材料制造结构,可制备具有复杂几何形式、复杂材料分布、复杂层级关系、复杂功能组成的结构,突破了传统制造工艺的极限,解决了产品研发过程中“制造决定设计”的问题。结合拓扑优化方法和增材制造技术可充分发挥设计的潜力以及制造的能力,但是拓扑优化和增材制造的结合仍然存在着以下问题:1)增材制造成型过程中可能会出现结构表面层异质以及不确定性问题,影响结构性能;2)拓扑优化结果结构形式复杂,转化为增材制造可识别的参数化模型的复杂程度高。因此,本文针对以上问题,建立了考虑表面层异质的拓扑优化方法和稳健性拓扑优化方法,以及几何特征可识别的混合拓扑优化方法。具体研究内容和成果包括:（1）基于SIMP-MMC混合的结构拓扑优化方法。结合拓扑优化方法和增材制造技术需要识别拓扑优化结果的几何特征,建立增材制造可识别的参数化模型。本文提出了基于SIMP-MMC混合的结构拓扑优化方法,该方法结合了SIMP... 

【文章来源】：大连理工大学辽宁省211工程院校985工程院校教育部直属院校

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

拓扑优化的设计过程

图 4. 1 优化流程图Fig.4. 1 Flow chart of the optimization design procedure上文所提出的稳健性拓扑优化方法进行数值算例验证，选取 M算例，计算过程为以密度的初始值eρ 开始循环；组装0K （0ξ = ξ的全局刚度阵）；装配外力 f，求解方程0 0K U = f，解得位移0U ；- 55 -

8） 检查是否收敛，不收敛的话转到步骤（2），收敛则跳出循环，输出化流程图见图 4. 1。 算例 1：MBB 梁图 4. 2 所示，黑色线框是 MBB 梁的初始设计域，但是在过滤过程中由于对优化结果的边界造成影响，因此采用域扩展[78]的方法，将设计域在除了界上下都扩展厚度 t，其中 t 不小于第二次过滤半径2R ，扩展后的设计域区域。右端简支，左上角施加单位力。两步过滤法的过滤半径分别为R0，即边界层厚度为 t = 4。在有限元分析中，将内部设计域划分为 300 × 100数为扩展前设计域的 40%。考虑两种几何不确定性， σ = 0.1， σ = 0.3。 4. 3 给出了确定性设计问题拓扑优化结果，图 4. 4，图 4. 5 分别给出了 σ3时的稳健性拓扑优化构型。与确定性拓扑优化结果对比，稳健性拓扑优化显的差异，力的传递路径变得更加简单，一些细小的杆件会消失，表 4. 1稳健性拓扑优化在不同扰动值下柔顺度的均值、标准差以及目标函数的值的均值、标准差都比确定性设计结果小，提高了结构的稳健性。

【参考文献】：
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硕士论文
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本文编号：3619065