周期性连续体结构的拓扑优化设计研究

发布时间：2017-06-27 08:18

  本文关键词：周期性连续体结构的拓扑优化设计研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：周期特征结构以其独特的构型、良好制造性和优异力学功能而备受瞩目。传统结构设计依靠工程师经验和主观思维给出几何造型或在现有构型上进行尺寸、形状等低层次优化，随着现代结构设计轻量化要求增强，传统方法耗时、成本高，发展潜力有限。拓扑优化定义在材料布局设计层面，能够获取材料最佳安排位置，充分发挥其承载能力，从根本上对结构提出改进方案，成为现代结构设计关键技术之一。论文对周期结构特点、类型和应用做了介绍，回顾了拓扑优化技术的发展历程、主流方法和研究领域以及拓扑优化技术在周期结构设计中的研究现状。在此基础上，基于SIMP材料模型，结合改进密度梯度几何约束法，通过变量关联建立周期结构拓扑优化模型，对平面格栅、回转圆环和大长宽比细长结构构型设计展开了研究。 考虑格栅的加筋特征，提出实体模型加筋构型设计处理方法。定义单位质量刚度评价指标，分析了蒙皮厚度、加筋高度和材料体分比变化对格栅构型和性能的影响规律，尺寸优化验证了拓扑优化分析结果正确性；开展了单层和双层格栅尺寸变化下优化构型和结构性能分析，，揭示周期结构尺寸效应的存在。 以静刚度为设计目标对三种典型任意载荷下圆环进行了构型设计，指出不同载荷条件下的尺寸效应临界子模块数不同；研究了圆环单位质量刚度随内外径比变化规律，得出内外径比越大结构效率愈低；接着建立了圆环夹芯结构模型，分析蒙皮及其厚度变化引起的载荷扰动对夹芯构型影响机理，提出需要根据载荷条件进行内外蒙皮厚度匹配设计。 研究了细长悬臂梁拼接构型设计。根据拼接模块数必须为整数，比较了不同模块分割数目优化构型和结构刚度变化，结果显示对于给定长宽的细长梁，其构型设计具有最佳的模块划分数目（即子模块设计域长宽比），不同部位具有最佳材料分配比例。
【关键词】：拓扑优化 周期特征 格栅加筋结构 圆环 细长梁
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH122
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 引言8
• 1.2 周期特征结构概述8-10
• 1.2.1 周期特征结构的构型特点8
• 1.2.2 周期特征结构的应用8-10
• 1.3 结构拓扑优化发展与研究现状10-11
• 1.4 周期特征结构优化设计研究现状11-13
• 1.4.1 微观周期特征结构优化设计11-12
• 1.4.2 宏观周期特征结构优化设计12-13
• 1.5 论文主要内容13-14
• 第2章 拓扑优化基本理论及研究平台14-22
• 2.1 引言14
• 2.2 拓扑化问题数学表达14-15
• 2.3 SIMP 材料插值模型15-16
• 2.4 数值求解不稳定性16-17
• 2.5 Hyperworks 软件平台简介17-20
• 2.5.1 Hypermesh 前处理18
• 2.5.2 Hyperview 后处理18
• 2.5.3 Optistruct 优化模块18-20
• 2.6 本章小结20-22
• 第3章 平面周期格栅加筋结构拓扑优化设计22-34
• 3.1 引言22
• 3.2 优化模型提法22-24
• 3.3 加筋拉伸与周期排布特征处理方法24-25
• 3.5 格栅加筋构型优化分析25-32
• 3.5.1 蒙皮厚度与格栅构型协同分析25-28
• 3.5.2 尺寸优化28
• 3.5.3 周期性格栅数 m 对优化构型的影响28-32
• 3.6 本章小结32-34
• 第4章 回转对称周期圆环结构拓扑优化设计34-46
• 4.1 引言34
• 4.2 优化模型建立34-36
• 4.3 圆环构型优化设计36-43
• 4.3.1 子模块数 m 变化36-38
• 4.3.2 内外半径比变化38-40
• 4.3.3 圆环夹芯构型优化设计40-43
• 4.4 回转对称结构工程实例43-44
• 4.5 本章小结44-46
• 第5章 大长宽比细长结构拓扑及尺寸优化46-54
• 5.1 引言46
• 5.2 等截面细长梁拓扑构型设计与分析46-52
• 5.2.1 整体优化与分析46-47
• 5.2.2 拼接子模块数 m 改变47-49
• 5.2.3 材料体分比 f 对构型影响49-50
• 5.2.4 尺寸优化50-52
• 5.3 梯形变截面细长梁拓扑构型设计52-53
• 5.4 本章小结53-54
• 第6章 总结与展望54-56
• 6.1 研究总结54
• 6.2 展望54-56
• 参考文献56-60
• 攻读学位期间发表的论文及参与的科研项目60-62
• 发表的学术论文60
• 主持或参与的科研项目60-62
• 致谢62-63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 刘远东;尹益辉;郭中泽;;考虑静动力学特性的材料/结构一体化多目标优化设计[J];工程力学;2012年09期

2 王晓明;亢战;;基于周期拼装的平面压电作动器结构拓扑优化[J];计算力学学报;2011年02期

3 左孔天,陈立平,张云清,王书亭;用拓扑优化方法进行热传导散热体的结构优化设计[J];机械工程学报;2005年04期

4 高彤;张卫红;朱继宏;汤兴刚;;循环对称结构静力学渐进拓扑优化设计[J];机械工程学报;2008年03期

5 卢天健;何德坪;陈常青;赵长颖;方岱宁;王晓林;;超轻多孔金属材料的多功能特性及应用[J];力学进展;2006年04期

6 阎军;刘岭;刘晓峰;邓佳东;;考虑尺寸效应的模块化结构两层级优化设计[J];力学学报;2010年02期

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本文编号：489093