特征驱动的结构拓扑优化理论与方法研究
发布时间：2021-01-02 07:29
拓扑优化是一种有效的结构创新构型设计方法,旨在最大限度地挖掘材料承载潜力,实现结构的高性能轻量化设计;特征设计是CAD系统几何建模的一种基本设计方法,也是实现设计与制造集成的基础,然而两种设计方法由于出发点不同长期处于割裂状态。目前拓扑优化方法在工程应用中普遍采用先性能后特征的串行设计思路,即结构拓扑优化以有限元模型和密度法为基础,首先仅考虑力学性能设计指标需求,后续再通过详细的特征添加与修改满足结构的机械特征要求。这一过程不仅设计周期长,而且设计结果难以同时保证满足力学性能和机械特征需求。近年来越来越多的学者开始力求将结构拓扑优化过程与特征设计密切结合,本文针对特征驱动下的结构拓扑优化存在的关键问题,包括通用特征建模、特征模型的力学分析、特征设计变量的灵敏度分析、自由设计域问题及动边界压力载荷下的结构拓扑优化设计,开展了系统深入的研究。主要研究成果如下:（1）提出了工程特征驱动的结构拓扑优化方法。该方法将工程特征作为结构拓扑优化的基本设计元素,并采用隐式水平集函数对每个特征进行描述定义。通过在给定的结构设计区域内对特征平移、旋转、缩放、变形以及布尔运算等基本操作,实现了结构全局受控式...
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
A380机翼前缘结构优化设计过程
即具有一定几何和拓扑的零件、组件、部件、子系统、系统等均可称作特征。例如，图1-2 所示的飞行器由机身、机翼、发动机、起落架和尾翼等典型的特征系统组成；每个特征系统又包含各自的部件、组件和零件等工程特征，如机身是由蒙皮、电子设备、油箱以及支撑连接结构等构成的整体式结构系统，发动机包含弹性支承、涡轮盘、静子框架、矢量喷管调节片等特征零件，而机翼以蒙皮、纵肋、长桁和翼梁等为主要特征。图 1-2 广义范畴下的工程特征特征方法的相关研究主要集中在特征识别（Feature Recognition, FR）和特征设计（Feature-based Design, FBD）两方面的工作[ 11 ]。特征识别指的是在基于边界表示（Boundary Representation, B-Rep）或构造实体几何（Constructive Solid Geometry, CSG）的几何模型中识别和提取形状特征的过程。Kyprianou[12]指出特征识别的主要思想是在给定的特征数据库中搜索并比对出与给定特征相匹配的部分。特征识别理论与方法的发展呈现出丰富多彩的局面，Shah 等[13]对现有主流的特征识别方法进行了综述，主要包括图匹配算法[14,15]（Graph MatchingAlgorithm, GMA）、基于线索的方法[16-18]（Hint BasedMethod, HBM）、体积分解与重组方法[19,20]（Volume Decomposition and Re-composition,VDRC）、CSG 树识别法[21]（Recognition from CSG Trees）、混合方法[22]（Hybrid Method）等。此外，20 世纪 90 年代末开始出现了商业化特征识别系统，例如霍尼韦尔公司的FBMach、Tecnomatix 平台的 PART、CIMPLEX 公司的 Generative NC 等。特征设计是以形状特征为基本设计单元的结构设计过程[23,24
构件特征尺寸控制、特征布局和结构拓扑协同优化设计以及基于特征的拓扑优化设计。采用传统拓扑优化方法进行机械结构设计时可能得到极细的构件，难以采用铸造等方法加工制造；进行柔性机构设计时极易出现单点连接的铰链，影响机构的稳定性；进行热传导结构设计时通常得到具有多级细小分支的优化结果。为此，学者们在传统“自由式”拓扑优化方法的基础上引入合理约束，在一定程度上实现了对结构构件特征尺寸的控制。Sigmund[85]和 Poulsen[86]发现了消除棋盘格和网格依赖性的灵敏度过滤技术和全局/局部梯度约束同时隐含着结构最小尺寸控制的作用。Guest 等[87,88]采用映射法将节点密度设计变量映射为单元密度以描述结构拓扑，映射半径成为控制构件特征尺寸的标准。王凤稳等[89]采用鲁棒优化设计方法消除了传统优化设计中常见的柔性机构单点铰链和热传导结构的细小分支。张维声等[90]借鉴了图形图像处理领域的结构骨架概念来定义结构的最大最小尺寸约束，并将其转化为密度变量变化上下限约束。Chen 等[91]和 Luo等[92]在目标函数中引入二次能量泛函，实现水平集框架下结构和柔性机构的最小特征尺寸控制。郭旭等[93]和 Allaire 等[94]相继将最大最小尺寸控制、结构距离控制问题转化为施加符号距离函数约束问题。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多组件结构系统布局拓扑优化中处理组件干涉约束的惩罚函数方法[J]. 朱继宏,郭文杰,张卫红,何飞. 航空学报. 2016(12)
[2]部件级多组件结构系统的整体式拓扑布局优化[J]. 张卫红,郭文杰,朱继宏. 航空学报. 2015(08)
[3]基于CATIA的飞机钣金结构特征参数化设计系统[J]. 张刚. 机械工程师. 2014(11)
[4]基于特征的航空发动机涡轮叶片参数化设计[J]. 宋玉旺,胡毕富,席平. 航空制造技术. 2007(11)
[5]基于特征设计的焊接工件造型系统[J]. 刘永,王克鸿,徐越兰,杨静宇. 焊接学报. 2005(10)
[6]基于特征的压气机叶片结构设计[J]. 王荣桥,林丹,樊江,朱凯. 航空发动机. 2004(02)
[7]钣金零件的特征设计[J]. 李峰,周雄辉,阮雪榆. 机械科学与技术. 1999(02)
[8]特征在机械制造中的应用[J]. 范玉青,李青,周建华. 航空精密制造技术. 1994(04)
硕士论文
[1]基于特征的飞机长桁结构件快速建模技术研究[D]. 刘洋.南京航空航天大学 2015
本文编号：2952929
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
A380机翼前缘结构优化设计过程
即具有一定几何和拓扑的零件、组件、部件、子系统、系统等均可称作特征。例如，图1-2 所示的飞行器由机身、机翼、发动机、起落架和尾翼等典型的特征系统组成；每个特征系统又包含各自的部件、组件和零件等工程特征，如机身是由蒙皮、电子设备、油箱以及支撑连接结构等构成的整体式结构系统，发动机包含弹性支承、涡轮盘、静子框架、矢量喷管调节片等特征零件，而机翼以蒙皮、纵肋、长桁和翼梁等为主要特征。图 1-2 广义范畴下的工程特征特征方法的相关研究主要集中在特征识别（Feature Recognition, FR）和特征设计（Feature-based Design, FBD）两方面的工作[ 11 ]。特征识别指的是在基于边界表示（Boundary Representation, B-Rep）或构造实体几何（Constructive Solid Geometry, CSG）的几何模型中识别和提取形状特征的过程。Kyprianou[12]指出特征识别的主要思想是在给定的特征数据库中搜索并比对出与给定特征相匹配的部分。特征识别理论与方法的发展呈现出丰富多彩的局面，Shah 等[13]对现有主流的特征识别方法进行了综述，主要包括图匹配算法[14,15]（Graph MatchingAlgorithm, GMA）、基于线索的方法[16-18]（Hint BasedMethod, HBM）、体积分解与重组方法[19,20]（Volume Decomposition and Re-composition,VDRC）、CSG 树识别法[21]（Recognition from CSG Trees）、混合方法[22]（Hybrid Method）等。此外，20 世纪 90 年代末开始出现了商业化特征识别系统，例如霍尼韦尔公司的FBMach、Tecnomatix 平台的 PART、CIMPLEX 公司的 Generative NC 等。特征设计是以形状特征为基本设计单元的结构设计过程[23,24
构件特征尺寸控制、特征布局和结构拓扑协同优化设计以及基于特征的拓扑优化设计。采用传统拓扑优化方法进行机械结构设计时可能得到极细的构件，难以采用铸造等方法加工制造；进行柔性机构设计时极易出现单点连接的铰链，影响机构的稳定性；进行热传导结构设计时通常得到具有多级细小分支的优化结果。为此，学者们在传统“自由式”拓扑优化方法的基础上引入合理约束，在一定程度上实现了对结构构件特征尺寸的控制。Sigmund[85]和 Poulsen[86]发现了消除棋盘格和网格依赖性的灵敏度过滤技术和全局/局部梯度约束同时隐含着结构最小尺寸控制的作用。Guest 等[87,88]采用映射法将节点密度设计变量映射为单元密度以描述结构拓扑，映射半径成为控制构件特征尺寸的标准。王凤稳等[89]采用鲁棒优化设计方法消除了传统优化设计中常见的柔性机构单点铰链和热传导结构的细小分支。张维声等[90]借鉴了图形图像处理领域的结构骨架概念来定义结构的最大最小尺寸约束，并将其转化为密度变量变化上下限约束。Chen 等[91]和 Luo等[92]在目标函数中引入二次能量泛函，实现水平集框架下结构和柔性机构的最小特征尺寸控制。郭旭等[93]和 Allaire 等[94]相继将最大最小尺寸控制、结构距离控制问题转化为施加符号距离函数约束问题。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多组件结构系统布局拓扑优化中处理组件干涉约束的惩罚函数方法[J]. 朱继宏,郭文杰,张卫红,何飞. 航空学报. 2016(12)
[2]部件级多组件结构系统的整体式拓扑布局优化[J]. 张卫红,郭文杰,朱继宏. 航空学报. 2015(08)
[3]基于CATIA的飞机钣金结构特征参数化设计系统[J]. 张刚. 机械工程师. 2014(11)
[4]基于特征的航空发动机涡轮叶片参数化设计[J]. 宋玉旺,胡毕富,席平. 航空制造技术. 2007(11)
[5]基于特征设计的焊接工件造型系统[J]. 刘永,王克鸿,徐越兰,杨静宇. 焊接学报. 2005(10)
[6]基于特征的压气机叶片结构设计[J]. 王荣桥,林丹,樊江,朱凯. 航空发动机. 2004(02)
[7]钣金零件的特征设计[J]. 李峰,周雄辉,阮雪榆. 机械科学与技术. 1999(02)
[8]特征在机械制造中的应用[J]. 范玉青,李青,周建华. 航空精密制造技术. 1994(04)
硕士论文
[1]基于特征的飞机长桁结构件快速建模技术研究[D]. 刘洋.南京航空航天大学 2015
本文编号：2952929
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