多载荷条件下结构形状优化特性的研究

发布时间：2017-09-19 08:22

  本文关键词：多载荷条件下结构形状优化特性的研究

  更多相关文章： 结构形状优化 多载荷作用 优化准则 优化特性 应力集中

【摘要】：结构形状优化主要研究在各种边界条件和约束条件下如何确定连续体结构的边界形状,以最大可能来降低应力集中现象,进而提高连续体结构的承载能力或延长该结构的使用寿命。对于结构在单一载荷作用下的形状优化问题的研究,目前已取得了大量成果,如单一载荷条件下的最优准则,各种优化方法等。然而实际上,由于环境的变化、制造与装配的偏差、与时间相关的摩擦与磨损等影响,结构或零件在其服役期内经常受到变化的载荷作用。而有实践验证基于单一载荷作用下获得的优化形状会变得不利于抵抗这种外部变化的载荷,因此,开展对多载荷作用下结构形状优化问题的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。优化是一个起始于初始状态,经过多次迭代逐渐逼近最优解的过程；反之,从结构的最优状态出发,如果能够通过理论分析或逻辑推理获取最优状态所反映的一些特征信息,进而将这些信息结合到优化算法中,这无疑对解决优化问题有极大帮助。基于这一思路,本文对以获取设计边界上最小的最大应力为目标的多载荷作用下结构形状优化问题的最优形状特性进行了详细研究。本文以弹性力学的经典问题一一无限大平面中心孔的应力集中问题为例,借助有限元分析软件Ansys12.0平台的优化模块进行优化仿真分析,且为提高分析效率,整个分析过程采用参数化语言命令(APDL)。首先,对单载荷条件下结构形状优化最优特性(最优状态下优化设计边界上的应力分布均匀)进行了理论证明并借助轴肩过渡曲线的优化仿真分析结果进行验证,接着基于这一特性提出了多载荷条件下结构形状最优的必要条件：在各个有效载荷的独立作用下,最优设计边界上对应的最大应力值相等。然后,采用逆向逻辑推理方法对其进行了证明,并提出单自变量连续变化载荷存在唯一有效载荷的条件：最大应力包络线函数为单调函数或单峰值函数；同时,对几种典型的多载荷结构形状优化问题分别进行了优化仿真分析,结果表明：①载荷作用方向或作用位置在一定范围内连续变化时,存在唯一有效载荷；②多个有效载荷独立作用时,最优状态下对应的最大应力值相等,进一步验证了所提出的最优形状特性的正确性。最后,分析讨论了利用上述提出的最优特性来降低这类优化问题难度的可能性,研究发现,在某些情况下多载荷优化问题可以转换为单一载荷条件下的优化问题。
【关键词】：结构形状优化 多载荷作用 优化准则 优化特性 应力集中
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH122
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-15
• 1.1 研究意义和背景8-10
• 1.2 国内外多载荷结构形状优化的研究现状10-13
• 1.3 多载荷结构形状优化特性研究思路的来源13-14
• 1.4 本文主要研究内容14-15
• 第二章 有限元方法和优化软件ANSYS介绍15-19
• 2.1 有限元方法的基本思想15
• 2.2 有限元方法的现状、发展和未来15-16
• 2.3 有限元软件的介绍16-17
• 2.4 APDL介绍17-18
• 2.5 本章小结18-19
• 第三章 结构形状优化原理与方法19-29
• 3.1 结构形状优化方法20-21
• 3.1.1 参数化形状优化方法20-21
• 3.1.2 非参数形状优化方法21
• 3.2 形状优化设计的数学模型21-25
• 3.2.1 设计变量22
• 3.2.2 约束条件(状态变量)22-23
• 3.2.3 目标函数23
• 3.2.4 问题公式化23-24
• 3.2.5 优化设计问题的基本解法24-25
• 3.3 形状优化中边界形状的描述方法25-26
• 3.3.1 型值点位置描述法25
• 3.3.2 节点描述法25
• 3.3.3 参数式解析方程法25-26
• 3.4 ANSYS结构形状优化方法及收敛准则26-27
• 3.4.1 零阶优化方法26
• 3.4.2 一阶优化方法26-27
• 3.4.3 ANSYS优化迭代的收敛准则27
• 3.5 本章小结27-29
• 第四章 单一载荷条件下结构形状优化特性29-36
• 4.1 理论证明29-30
• 4.2 仿真分析验证30-33
• 4.2.1 参数化形状优化设计的流程30-31
• 4.2.2 优化设计边界的参数描述方法31-33
• 4.3 结果与讨论33-35
• 4.4 本章小结35-36
• 第五章 多载荷条件下结构形状优化特性36-43
• 5.1 多载荷的分类36
• 5.2 多载荷下结构形状优化特性研究原理36-37
• 5.3 多载荷的结构形状优化特性的应用37-38
• 5.4 关于优化特性的理论证明38-41
• 5.4.1 两个有效载荷独立作用38-39
• 5.4.2 三个有效载荷独立作用39-41
• 5.4.3 单自变量连续变化载荷存在唯一有效载荷的条件41
• 5.5 本章小结41-43
• 第六章 带孔薄板的结构形状优化仿真分析43-57
• 6.1 有限元模型43
• 6.2 实例分析结果与讨论43-55
• 6.2.1 中心孔板受变方向集中载荷作用43-49
• 6.2.2 中心孔板受变位置集中载荷作用49-51
• 6.2.3 中心孔板受多个独立分布载荷作用51-55
• 6.3 本章小结55-57
• 第七章 结论与展望57-59
• 7.1 研究工作的总结57
• 7.2 工作展望57-59
• 参考文献59-62
• 致谢62-63
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文63-64

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本文编号：880553