基于密度进化的双向渐进结构优化方法及应用研究

发布时间：2017-07-31 11:21

  本文关键词：基于密度进化的双向渐进结构优化方法及应用研究

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【摘要】：渐进结构优化方法(ESO)自提出以来便引起了结构优化领域众多专家学者的广泛关注。ESO方法通过逐步移除设计区域中的低效单元的方式来获得最优的拓扑形态,其优化思想简单,易于与现成的商用有限元分析软件相连接,方便地用于解决工程实际中各种静、动力学等优化问题。ESO方法的理论与应用领域都在不断扩充,同时也面临着诸多问题,如不能保证获得全局优化解、数值计算不稳定等。本文对渐进结构优化方法的算法流程、单元删除准则和工程实际应用等几个方面进行了分析和研究。首先,探讨了传统渐进结构优化方法中初始删除率与删除率进化步长对算法收敛性的影响,采用了一种用结构响应值的广义离散系数表示的性能指标,并将其用于自适应步长的制定；在性能指标与步长分析的基础上对传统ESO方法作了改进,并通过实例进行了验证。其次,将一种新的材料插值模型与ESO方法相结合,在分析灵敏度误差产生原因的基础上,采用一种密度双向进化的单元增删策略,减小了灵敏度计算误差的同时,能够降低单元的误删率,提高了算法寻找全局优化解的能力。然后,构建了应力和位移约束的最大刚度设计分析模型,借鉴了用应变约束代替应力、位移约束的处理方法；基于线弹性问题的位移互等定理,采用一种在应变约束点施加载荷逆向计算各单元应变灵敏度的方法；在优化的各个阶段,根据约束判断确定灵敏度加权的计算方式；运用ANSYS二次开发工具设计了基于ESO方法的拓扑优化应用程序。最后,在对ESO原理方法进行了研究与改进的基础上,使用ESO优化设计应用程序对某型号注塑机的推力座和前模板进行了拓扑优化设计,根据优化所得的拓扑形态对模型进行了重建,通过优化前后结构的性能对比对优化结果进行了评价。论文的末尾总结了全文的主要研究内容和成果,指出了研究中尚未解决的问题,对进一步研究的方向做出了展望。
【关键词】：拓扑优化 渐进结构优化 自适应步长 密度进化 灵敏度分析 双方向算法
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH122
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 论文的研究背景及意义12-14
• 1.1.1 论文研究的背景12-13
• 1.1.2 论文研究的意义13-14
• 1.2 渐进结构优化方法研究现状14-19
• 1.3 论文的主要内容及结构框架19-21
• 1.4 本章小结21-22
• 第2章 自适应步长的渐进结构优化方法研究22-36
• 2.1 引言22
• 2.2 传统的渐进结构优化方法22-25
• 2.2.1 传统渐进结构优化的优化模型23
• 2.2.2 满应力优化准则23
• 2.2.3 灵敏度分析23-25
• 2.3 棋盘效应与灵敏度过滤25-26
• 2.4 初始条件对优化结果收敛性的影响分析26-30
• 2.4.1 算例模型26
• 2.4.2 初始删除率与进化步长26-30
• 2.5 基于广义离散系数的自适应进化步长制定策略30-34
• 2.5.1 一种广义离散系数表示的性能指标30-31
• 2.5.2 基于广义离散系数的自适应进化步长31
• 2.5.3 自适应步长渐进结构优化实施流程31-32
• 2.5.4 算例32-34
• 2.6 本章小结34-36
• 第3章 基于密度-刚度插值的双向渐进结构优化36-46
• 3.1 引言36
• 3.2 质量约束下的刚度优化问题模型构建36-38
• 3.2.1 材料插值模型36-37
• 3.2.2 密度-刚度插值模型37-38
• 3.2.3 质量约束下的刚度优化模型38
• 3.3 灵敏度误差分析及过滤38-40
• 3.3.1 灵敏度误差分析39
• 3.3.2 灵敏度过滤39-40
• 3.4 基于密度双向进化的渐进结构优化40-42
• 3.4.1 一种密度双向进化的软删除优化方法40-41
• 3.4.2 优化实施流程41-42
• 3.5 算例42-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第4章 多约束问题的ESO方法及其应用程序实现46-61
• 4.1 引言46
• 4.2 应力和位移约束下的最大刚度设计数学模型46-47
• 4.3 应力和位移约束下的最大刚度设计灵敏度分析47-53
• 4.3.1 位移灵敏度分析47-48
• 4.3.2 应力灵敏度分析48-49
• 4.3.3 位移约束与应力约束的简化处理49-51
• 4.3.4 一种应变灵敏度简便计算方法51-52
• 4.3.5 基于约束判断的灵敏度加权方法52-53
• 4.4 多约束优化性能评价指标53
• 4.5 应力和位移约束问题的ESO方法实施流程53-55
• 4.6 基于ESO方法的拓扑优化应用程序实现55-59
• 4.6.1 应用程序总体设计与菜单功能划分55-57
• 4.6.2 ESO拓扑优化程序设计57-59
• 4.7 本章小结59-61
• 第5章 ESO方法在注塑机关键零部件拓扑优化设计中的应用61-71
• 5.1 引言61
• 5.2 ESO方法在推力座优化设计中的应用61-66
• 5.2.1 推力座结构拓扑优化预分析61-63
• 5.2.2 推力座结构拓扑优化实现及结果分析63-65
• 5.2.3 推力座优化结果模型重建及性能评价65-66
• 5.3 前模板在ESO优化应用程序中的结构拓扑优化实现66-70
• 5.3.1 前模板结构拓扑优化前处理66-67
• 5.3.2 前模板渐进结构优化求解67-69
• 5.3.3 前模板拓扑优化结果分析及评价69-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第6章 总结与展望71-73
• 6.1 全文总结71
• 6.2 工作展望71-73
• 参考文献73-77
• 附录77
• 作者简介77
• 攻读硕士学位期间的科研成果和参与的科研项目77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 谢亿民;黄晓东;左志豪;唐继武;荣见华;;渐进结构优化法(ESO)和双向渐进结构优化法(BESO)的近期发展[J];力学进展;2011年04期

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本文编号：598899