基于参数化水平集的结构/材料多尺度拓扑优化设计研究
发布时间：2022-02-20 02:26
拓扑优化作为一种科学、高效的计算工具,能够在给定设计空间内寻找到满足约束的、目标性能最优的结构拓扑构型,被广泛应用于诸多领域,如机械、生物、医疗等。然而,传统基于均质材料的结构拓扑优化设计已无法满足现代工业产品对“结构超轻量化”、“功能特殊化”与“性能集成化”的需求。如何充分发挥材料的微结构在提升产品性能上的潜力,实现同时考虑“材料宏观分布”与“材料宏观等效属性”的结构/材料多尺度设计,已成为当前结构拓扑优化领域的热点和难点。本文首先以机械超材料为研究对象,采用参数化水平集拓扑优化方法和均匀化理论,优化材料微结构;其次构建结构/材料多尺度拓扑优化设计模型,深入研究了单类微结构、多类微结构以及动力学等情形。首先,提出了基于参数化水平集的机械超材料拓扑优化设计模型。面向材料微结构,基于平均应力应变理论,提出了能量均匀化方法,解决了数值均匀化中理论推导繁琐、周期性边界条件难以施加等问题,可用于评估材料宏观等效属性。基于参数化水平集和能量均匀化方法,建立了机械超材料微结构拓扑优化设计模型,并采用最大体积模量、最大剪切模量和负泊松比等数值案例,针对2D和3D两种情形,验证了该模型的有效性。其次,...
【文章来源】：华中科技大学湖北省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 课题的来源、背景、目的及意义
1.2 拓扑优化方法国内外研究现状
1.3 结构/材料多尺度拓扑优化国内外研究现状
1.4 现状总结与问题分析
1.5 本文的主要工作与结构
2 基于参数化水平集与能量均匀化的材料拓扑优化设计
2.1 引言
2.2 参数化水平集方法
2.3 能量均匀化方法
2.4 材料微结构拓扑优化设计模型
2.5 灵敏度分析与数值实施
2.6 数值案例与结果分析
2.7 本章小结
3 考虑单类微结构的结构/材料多尺度刚度拓扑优化设计
3.1 引言
3.2 单类微结构的多尺度刚度优化问题描述
3.3 单类微结构的多尺度刚度优化设计模型
3.4 多尺度刚度灵敏度分析与数值实施
3.5 单类微结构的多尺度刚度拓扑优化设计流程
3.6 数值案例与结果分析
3.7 本章小结
4 考虑多类微结构的结构/材料多尺度刚度拓扑优化设计
4.1 引言
4.2 多类微结构的多尺度刚度优化问题描述
4.3 多类微结构的多尺度刚度优化设计模型
4.4 多尺度刚度灵敏度分析与数值实施
4.5 多类微结构的多尺度刚度拓扑优化设计流程
4.6 数值案例与结果分析
4.7 本章小结
5 考虑多类微结构的结构/材料多尺度频响拓扑优化设计
5.1 引言
5.2 结构动力学有限元分析
5.3 多类微结构的多尺度频响优化问题描述
5.4 多类微结构的多尺度频响优化设计模型
5.5 多尺度频响灵敏度分析与数值实施
5.6 动力学有限元模型降阶策略
5.7 数值案例与结果分析
5.8 本章小结
6 工程案例应用
6.1 拉胀超材料负泊松比性能仿真测试分析
6.2 航空航天高轻质点阵结构刚度优化设计
6.3 某卫星推进舱主承力结构多尺度刚度拓扑优化设计
6.4 本章小结
7 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 创新之处
7.3 工作展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间发表学术论文目录
【参考文献】：
期刊论文
[1]结构拓扑优化设计综述[J]. 郭中泽,张卫红,陈裕泽. 机械设计. 2007(08)
[2]基于导热性能的复合材料微结构拓扑优化设计[J]. 张卫红,汪雷,孙士平. 航空学报. 2006(06)
[3]基于SIMP拓扑优化理论的结构概念设计研究[J]. 刘志强,王明强. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2006(01)
[4]结构拓扑优化研究方法综述[J]. 周克民,李俊峰,李霞. 力学进展. 2005(01)
[5]基于人工材料的结构拓扑渐进优化设计[J]. 荣见华,姜节胜,颜东煌,赵爱琼. 工程力学. 2004(05)
[6]基于均匀化理论的拓扑优化算法研究[J]. 王书亭,左孔天. 华中科技大学学报(自然科学版). 2004(10)
[7]基于应力及其灵敏度的结构拓扑渐进优化方法[J]. 荣见华,姜节胜,胡德文,颜东煌,付俊庆. 力学学报. 2003(05)
[8]特定弹性性能材料的细观结构设计优化[J]. 刘书田,郑新广,程耿东. 复合材料学报. 2001(02)
博士论文
[1]纤维增强复合材料框架结构拓扑与纤维铺角一体化优化设计[D]. 段尊义.大连理工大学 2016
[2]基于点密度插值的结构拓扑优化方法及应用[D]. 王毅强.大连理工大学 2014
[3]基于结构和材料一体化的多尺度动力优化设计[D]. 牛斌.大连理工大学 2010
硕士论文
[1]基于移动可变形组件框架的拓扑优化方法[D]. 袁杰.大连理工大学 2016
[2]复合材料结构多尺度一体化优化设计[D]. 熊海林.华中科技大学 2016
本文编号：3634120
【文章来源】：华中科技大学湖北省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 课题的来源、背景、目的及意义
1.2 拓扑优化方法国内外研究现状
1.3 结构/材料多尺度拓扑优化国内外研究现状
1.4 现状总结与问题分析
1.5 本文的主要工作与结构
2 基于参数化水平集与能量均匀化的材料拓扑优化设计
2.1 引言
2.2 参数化水平集方法
2.3 能量均匀化方法
2.4 材料微结构拓扑优化设计模型
2.5 灵敏度分析与数值实施
2.6 数值案例与结果分析
2.7 本章小结
3 考虑单类微结构的结构/材料多尺度刚度拓扑优化设计
3.1 引言
3.2 单类微结构的多尺度刚度优化问题描述
3.3 单类微结构的多尺度刚度优化设计模型
3.4 多尺度刚度灵敏度分析与数值实施
3.5 单类微结构的多尺度刚度拓扑优化设计流程
3.6 数值案例与结果分析
3.7 本章小结
4 考虑多类微结构的结构/材料多尺度刚度拓扑优化设计
4.1 引言
4.2 多类微结构的多尺度刚度优化问题描述
4.3 多类微结构的多尺度刚度优化设计模型
4.4 多尺度刚度灵敏度分析与数值实施
4.5 多类微结构的多尺度刚度拓扑优化设计流程
4.6 数值案例与结果分析
4.7 本章小结
5 考虑多类微结构的结构/材料多尺度频响拓扑优化设计
5.1 引言
5.2 结构动力学有限元分析
5.3 多类微结构的多尺度频响优化问题描述
5.4 多类微结构的多尺度频响优化设计模型
5.5 多尺度频响灵敏度分析与数值实施
5.6 动力学有限元模型降阶策略
5.7 数值案例与结果分析
5.8 本章小结
6 工程案例应用
6.1 拉胀超材料负泊松比性能仿真测试分析
6.2 航空航天高轻质点阵结构刚度优化设计
6.3 某卫星推进舱主承力结构多尺度刚度拓扑优化设计
6.4 本章小结
7 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 创新之处
7.3 工作展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间发表学术论文目录
【参考文献】：
期刊论文
[1]结构拓扑优化设计综述[J]. 郭中泽,张卫红,陈裕泽. 机械设计. 2007(08)
[2]基于导热性能的复合材料微结构拓扑优化设计[J]. 张卫红,汪雷,孙士平. 航空学报. 2006(06)
[3]基于SIMP拓扑优化理论的结构概念设计研究[J]. 刘志强,王明强. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2006(01)
[4]结构拓扑优化研究方法综述[J]. 周克民,李俊峰,李霞. 力学进展. 2005(01)
[5]基于人工材料的结构拓扑渐进优化设计[J]. 荣见华,姜节胜,颜东煌,赵爱琼. 工程力学. 2004(05)
[6]基于均匀化理论的拓扑优化算法研究[J]. 王书亭,左孔天. 华中科技大学学报(自然科学版). 2004(10)
[7]基于应力及其灵敏度的结构拓扑渐进优化方法[J]. 荣见华,姜节胜,胡德文,颜东煌,付俊庆. 力学学报. 2003(05)
[8]特定弹性性能材料的细观结构设计优化[J]. 刘书田,郑新广,程耿东. 复合材料学报. 2001(02)
博士论文
[1]纤维增强复合材料框架结构拓扑与纤维铺角一体化优化设计[D]. 段尊义.大连理工大学 2016
[2]基于点密度插值的结构拓扑优化方法及应用[D]. 王毅强.大连理工大学 2014
[3]基于结构和材料一体化的多尺度动力优化设计[D]. 牛斌.大连理工大学 2010
硕士论文
[1]基于移动可变形组件框架的拓扑优化方法[D]. 袁杰.大连理工大学 2016
[2]复合材料结构多尺度一体化优化设计[D]. 熊海林.华中科技大学 2016
本文编号：3634120
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