基于CAD/CAE快速响应的机械结构GBESO法拓扑优化及模型重构研究
发布时间：2022-04-26 21:43
机械结构设计过程主要包括概念设计、基本设计、详细设计三个阶段。每个阶段都存在着“设计-优化-再设计”的循环，计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）和计算机辅助工程（CAE，Computer Aided Engineering）技术的不断发展，使机械结构设计的效率和质量有了较大提高。然而，随着产品的市场竞争日益加剧，机械产品设计要求不断提高，高效率、高精度、低成本的设计成为了设计者追求的目标。因此，机械产品设计的关键是要在短周期内实现低成本高质量的结构设计。本文在研究现有机械结构设计方法的基础上，研究了基于网格数据的CAD有限元模型到CAE模型的转换方法，建立了以参数化设计理论为基础，共享数据库为支承的双向相关模型转换机制，推导了双向渐进结构优化（BESO，The Bi-direcfionalEvolutionary Structural Optimization）法进行机械结构拓扑优化的数学模型，提出了基于精英保留策略的遗传双向渐进结构优化（GBESO，Genetic Bi-direcfional EvolutionaryStructural Optimi...
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 CAD/CAE 快速响应设计技术研究现状
1.2.1 快速响应设计技术的内涵
1.2.2 CAD/CAE 集成技术研究与应用现状
1.3 机械结构拓扑优化研究
1.3.1 拓扑优化设计研究现状
1.3.2 结构拓扑优化的插值方法研究
1.3.3 结构拓扑优化的求解算法研究
1.4 拓扑优化结果模型重构
1.4.1 拓扑优化的数值不稳定现象研究
1.4.2 优化结果几何模型重构
1.5 研究问题的提出
1.6 本文研究内容
2 双向相关的 CAD/CAE 快速响应技术研究
2.1 机械结构设计流程及存在问题分析
2.2 CAD/CAE 快速响应方法及实现流程
2.2.1 快速响应方法的提出
2.2.2 快速响应的内容及流程
2.3 CAD/CAE 快速响应关键技术
2.3.1 CAD 模型及其参数化设计研究
2.3.2 CAD 与 CAE 系统间的模型转换机制研究
2.3.3 双向相关模型转换机制研究
2.4 弹槽导引的优化设计
2.4.1 弹槽导引参数化优化设计
2.4.2 优化结果分析与讨论
2.5 本章小结
3 基于 BESO 法的机械结构拓扑优化方法研究
3.1 优化设计概述
3.1.1 基本概念
3.1.2 结构优化设计的层次
3.2 三维结构 BESO 法拓扑优化的数学模型研究
3.2.1 BESO 优化设计思路
3.2.2 轻量化设计数学建模
3.2.3 应力优化设计数学建模
3.2.4 刚度最大化设计的数学建模
3.3 推弹体结构的 BESO 法拓扑优化
3.3.1 推弹体的边界约束条件及载荷
3.3.2 推弹体结构刚度最大化设计
3.3.3 优化结果分析与讨论
3.4 本章小结
4 机械结构拓扑优化的 GBESO 寻优算法研究
4.1 BESO 法寻优过程中存在的问题分析
4.2 遗传算法研究
4.2.1 遗传算法概述
4.2.2 遗传算法的主要流程
4.2.3 运行机制
4.2.4 遗传算法的基本原理
4.3 基于遗传进化策略的 BESO 算法研究
4.3.1 GA 和 BESO 算法寻优方式对比
4.3.2 GBESO 算法进化机理
4.3.3 GBESO 法寻优过程
4.4 基于 GBESO 算法的多约束多工况拓扑优化
4.4.1 应力位移双约束下的轻量化设计数学模型
4.4.2 GBESO 法寻优的关键问题
4.5 弹槽隔板多工况拓扑优化与讨论
4.5.1 多工况拓扑优化设计方法
4.5.2 弹槽隔板优化设计
4.5.3 优化结果分析与讨论
4.6 本章小结
5 基于特征和约束的拓扑优化结果模型重构
5.1 拓扑优化结果存在问题分析
5.2 基于逆向工程的模型重构研究
5.2.1 逆向工程模型重构的提出
5.2.2 逆向工程建模分析
5.2.3 基于特征和约束的模型重构实现流程
5.3 基于特征和约束的模型重构关键技术研究
5.3.1 拓扑优化结果数据获取
5.3.2 点云噪声剔除与光顺滤波
5.3.3 面向制造的孔洞修复
5.3.4 特征提取和约束识别
5.3.5 特征拟合
5.4 弹槽隔板的优化结果几何模型重构
5.5 本章小结
6 弹鼓结构拓扑优化设计
6.1 某供弹系统弹鼓结构概述
6.2 弹鼓结构拓扑优化
6.2.1 弹鼓结构的参数化建模
6.2.2 弹鼓结构的快速 CAE 分析
6.2.3 优化后的弹鼓模型
6.3 拓扑优化结果仿真分析
6.3.1 准静态特性分析
6.3.2 模态分析
6.3.3 分析结果讨论
6.4 本章小结
7 总结与展望
7.1 全文工作总结
7.2 主要创新点
7.3 工作展望
参考文献
攻读博士期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于U/S/W体系结构的快速响应CAE技术[J]. 吴淑芳,王宗彦,黄飞,王乔,秦慧斌. 计算机集成制造系统. 2014(02)
[2]一种CAD和CAE数据集成方式研究[J]. 尹作重,李江华,李晨希,杜峻. 制造业自动化. 2013(11)
[3]连续体结构拓扑优化的一种新变密度法[J]. 毛虎平,苏铁熊,李建军,王应红. 机械设计. 2013(05)
[4]基于双层规划的白车身结构优化[J]. 高云凯,王婧人,方剑光,王园. 机械工程学报. 2012(22)
[5]基于变厚度杂交元的二维连续体结构拓扑优化[J]. 赖云山,马海涛. 科学技术与工程. 2012(06)
[6]CAD与CAE集成的等几何分析[J]. 傅晓锦. 上海电机学院学报. 2011(06)
[7]改进的双向渐进结构法的基本原理及应用[J]. 段艳娇. 工程建设与设计. 2011(S1)
[8]连续体结构拓扑优化方法评述[J]. 夏天翔,姚卫星. 航空工程进展. 2011(01)
[9]基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计[J]. 王平,郑松林,吴光强. 机械工程学报. 2011(02)
[10]A Bionic Approach for Topology Optimization for Tension-only or Compression-only Design[J]. Kun Cai,Jiao ShiCollege of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Xianyang 712100,P.R.China. Journal of Bionic Engineering. 2010(04)
博士论文
[1]基于CAD/CAE集成模型的塑料注射模优化设计系统[D]. 李庆.华中科技大学 2012
[2]自动分组遗传算法的改进及在结构工程中的应用[D]. 刘晓峰.大连理工大学 2011
[3]智能优化算法评价模型研究[D]. 杨劲秋.浙江大学 2011
[4]海量数据点三维重构中一类关键问题研究[D]. 李晋江.山东大学 2010
[5]边界表示实体模型简化方法研究[D]. 孙锐.浙江大学 2010
[6]连续体结构拓扑优化模型讨论及其应用[D]. 乔赫廷.大连理工大学 2011
[7]面向大批量定制的快速响应设计若干关键技术研究[D]. 侯守明.东北大学 2010
[8]基于遗传算法的连续梁桥优化设计方法与应用研究[D]. 唐海红.哈尔滨工业大学 2009
[9]实数编码遗传算法机理分析及算法改进研究[D]. 朱灿.中南大学 2009
[10]三维重建应用系统研究[D]. 高剑.山东大学 2009
硕士论文
[1]逆向工程模型重构关键技术及应用[D]. 曹晓兴.郑州大学 2012
[2]网络环境下桥式起重机参数化CAE技术研究[D]. 黄飞.中北大学 2012
[3]面向网络化的机械产品集成设计平台研究与开发[D]. 虞国军.中北大学 2012
[4]拓扑优化方法在机械产品设计中的若干关键问题研究[D]. 孙博宇.合肥工业大学 2012
[5]几何约束条件下拓扑与形状统一优化方法研究[D]. 杨勇.华中科技大学 2012
[6]基于特征的三维模型参数化设计[D]. 程学朋.沈阳理工大学 2012
[7]平面连续体结构拓扑与形状优化设计研究[D]. 赖云山.华南理工大学 2011
[8]航天器结构随机振动响应等效为准静态载荷的方法研究[D]. 李兴超.哈尔滨工业大学 2008
[9]基于进化算法的结构拓扑优化[D]. 曹洪娜.河北工业大学 2007
[10]基于均匀化方法的材料参数化优化设计研究[D]. 康健.大连理工大学 2006
本文编号：3648784
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 CAD/CAE 快速响应设计技术研究现状
1.2.1 快速响应设计技术的内涵
1.2.2 CAD/CAE 集成技术研究与应用现状
1.3 机械结构拓扑优化研究
1.3.1 拓扑优化设计研究现状
1.3.2 结构拓扑优化的插值方法研究
1.3.3 结构拓扑优化的求解算法研究
1.4 拓扑优化结果模型重构
1.4.1 拓扑优化的数值不稳定现象研究
1.4.2 优化结果几何模型重构
1.5 研究问题的提出
1.6 本文研究内容
2 双向相关的 CAD/CAE 快速响应技术研究
2.1 机械结构设计流程及存在问题分析
2.2 CAD/CAE 快速响应方法及实现流程
2.2.1 快速响应方法的提出
2.2.2 快速响应的内容及流程
2.3 CAD/CAE 快速响应关键技术
2.3.1 CAD 模型及其参数化设计研究
2.3.2 CAD 与 CAE 系统间的模型转换机制研究
2.3.3 双向相关模型转换机制研究
2.4 弹槽导引的优化设计
2.4.1 弹槽导引参数化优化设计
2.4.2 优化结果分析与讨论
2.5 本章小结
3 基于 BESO 法的机械结构拓扑优化方法研究
3.1 优化设计概述
3.1.1 基本概念
3.1.2 结构优化设计的层次
3.2 三维结构 BESO 法拓扑优化的数学模型研究
3.2.1 BESO 优化设计思路
3.2.2 轻量化设计数学建模
3.2.3 应力优化设计数学建模
3.2.4 刚度最大化设计的数学建模
3.3 推弹体结构的 BESO 法拓扑优化
3.3.1 推弹体的边界约束条件及载荷
3.3.2 推弹体结构刚度最大化设计
3.3.3 优化结果分析与讨论
3.4 本章小结
4 机械结构拓扑优化的 GBESO 寻优算法研究
4.1 BESO 法寻优过程中存在的问题分析
4.2 遗传算法研究
4.2.1 遗传算法概述
4.2.2 遗传算法的主要流程
4.2.3 运行机制
4.2.4 遗传算法的基本原理
4.3 基于遗传进化策略的 BESO 算法研究
4.3.1 GA 和 BESO 算法寻优方式对比
4.3.2 GBESO 算法进化机理
4.3.3 GBESO 法寻优过程
4.4 基于 GBESO 算法的多约束多工况拓扑优化
4.4.1 应力位移双约束下的轻量化设计数学模型
4.4.2 GBESO 法寻优的关键问题
4.5 弹槽隔板多工况拓扑优化与讨论
4.5.1 多工况拓扑优化设计方法
4.5.2 弹槽隔板优化设计
4.5.3 优化结果分析与讨论
4.6 本章小结
5 基于特征和约束的拓扑优化结果模型重构
5.1 拓扑优化结果存在问题分析
5.2 基于逆向工程的模型重构研究
5.2.1 逆向工程模型重构的提出
5.2.2 逆向工程建模分析
5.2.3 基于特征和约束的模型重构实现流程
5.3 基于特征和约束的模型重构关键技术研究
5.3.1 拓扑优化结果数据获取
5.3.2 点云噪声剔除与光顺滤波
5.3.3 面向制造的孔洞修复
5.3.4 特征提取和约束识别
5.3.5 特征拟合
5.4 弹槽隔板的优化结果几何模型重构
5.5 本章小结
6 弹鼓结构拓扑优化设计
6.1 某供弹系统弹鼓结构概述
6.2 弹鼓结构拓扑优化
6.2.1 弹鼓结构的参数化建模
6.2.2 弹鼓结构的快速 CAE 分析
6.2.3 优化后的弹鼓模型
6.3 拓扑优化结果仿真分析
6.3.1 准静态特性分析
6.3.2 模态分析
6.3.3 分析结果讨论
6.4 本章小结
7 总结与展望
7.1 全文工作总结
7.2 主要创新点
7.3 工作展望
参考文献
攻读博士期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于U/S/W体系结构的快速响应CAE技术[J]. 吴淑芳,王宗彦,黄飞,王乔,秦慧斌. 计算机集成制造系统. 2014(02)
[2]一种CAD和CAE数据集成方式研究[J]. 尹作重,李江华,李晨希,杜峻. 制造业自动化. 2013(11)
[3]连续体结构拓扑优化的一种新变密度法[J]. 毛虎平,苏铁熊,李建军,王应红. 机械设计. 2013(05)
[4]基于双层规划的白车身结构优化[J]. 高云凯,王婧人,方剑光,王园. 机械工程学报. 2012(22)
[5]基于变厚度杂交元的二维连续体结构拓扑优化[J]. 赖云山,马海涛. 科学技术与工程. 2012(06)
[6]CAD与CAE集成的等几何分析[J]. 傅晓锦. 上海电机学院学报. 2011(06)
[7]改进的双向渐进结构法的基本原理及应用[J]. 段艳娇. 工程建设与设计. 2011(S1)
[8]连续体结构拓扑优化方法评述[J]. 夏天翔,姚卫星. 航空工程进展. 2011(01)
[9]基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计[J]. 王平,郑松林,吴光强. 机械工程学报. 2011(02)
[10]A Bionic Approach for Topology Optimization for Tension-only or Compression-only Design[J]. Kun Cai,Jiao ShiCollege of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Xianyang 712100,P.R.China. Journal of Bionic Engineering. 2010(04)
博士论文
[1]基于CAD/CAE集成模型的塑料注射模优化设计系统[D]. 李庆.华中科技大学 2012
[2]自动分组遗传算法的改进及在结构工程中的应用[D]. 刘晓峰.大连理工大学 2011
[3]智能优化算法评价模型研究[D]. 杨劲秋.浙江大学 2011
[4]海量数据点三维重构中一类关键问题研究[D]. 李晋江.山东大学 2010
[5]边界表示实体模型简化方法研究[D]. 孙锐.浙江大学 2010
[6]连续体结构拓扑优化模型讨论及其应用[D]. 乔赫廷.大连理工大学 2011
[7]面向大批量定制的快速响应设计若干关键技术研究[D]. 侯守明.东北大学 2010
[8]基于遗传算法的连续梁桥优化设计方法与应用研究[D]. 唐海红.哈尔滨工业大学 2009
[9]实数编码遗传算法机理分析及算法改进研究[D]. 朱灿.中南大学 2009
[10]三维重建应用系统研究[D]. 高剑.山东大学 2009
硕士论文
[1]逆向工程模型重构关键技术及应用[D]. 曹晓兴.郑州大学 2012
[2]网络环境下桥式起重机参数化CAE技术研究[D]. 黄飞.中北大学 2012
[3]面向网络化的机械产品集成设计平台研究与开发[D]. 虞国军.中北大学 2012
[4]拓扑优化方法在机械产品设计中的若干关键问题研究[D]. 孙博宇.合肥工业大学 2012
[5]几何约束条件下拓扑与形状统一优化方法研究[D]. 杨勇.华中科技大学 2012
[6]基于特征的三维模型参数化设计[D]. 程学朋.沈阳理工大学 2012
[7]平面连续体结构拓扑与形状优化设计研究[D]. 赖云山.华南理工大学 2011
[8]航天器结构随机振动响应等效为准静态载荷的方法研究[D]. 李兴超.哈尔滨工业大学 2008
[9]基于进化算法的结构拓扑优化[D]. 曹洪娜.河北工业大学 2007
[10]基于均匀化方法的材料参数化优化设计研究[D]. 康健.大连理工大学 2006
本文编号：3648784
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