基于移动可变形组件方法的薄壁截面拓扑优化设计
发布时间：2022-11-08 20:07
由于薄壁梁结构具有高的刚度质量比,所以它被广泛地应用到各种工程中。在薄壁梁的概念设计阶段,其截面形状的设计是一个尤为重要的问题。通过传统的截面设计方法不能得到具有薄壁特征的截面,而且设计结果往往无法满足冲压工艺。为了解决上述问题,论文提出了一种采用移动可变形组件方法的截面拓扑优化方法。论文以截面面积作为拓扑优化的目标函数,以截面的弯曲惯性矩、扭转惯性矩为约束函数建立数学模型。针对欧拉-伯努利梁,给出了任意形状截面的弯曲惯性矩和扭转惯性矩的解析公式。其中,根据“欧拉-伯努利梁理论”得到截面的弯曲惯性矩公式;采用半逆解法求解其截面的应力函数,参考弹性力学中对于圆截面杆的解答得到截面的扭转惯性矩公式。在此之上,论文推导了任意形状截面的弯曲惯性矩和实心截面的扭转惯性矩的数值求解公式。其中,与扭转惯性矩的数值求解公式有关的截面应力函数是通过其微分方程和边界条件建立的有限元格式进行求解的。文章推导并给出了双线性单元和任意形状四边形单元的单元刚度矩阵和单元结点列阵。论文还介绍了移动可变形组件拓扑优化方法,并分别求出了在该方法的体系下,截面的面积、弯曲惯性矩和扭转惯性矩的数值公式和灵敏度分析公式。论文...
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 研究现状
1.3 研究内容
第2章 梁截面的力学特性
2.1 截面弯扭惯性矩的解析求解
2.1.1 弯曲惯性矩的解析求解
2.1.2 扭转惯性矩的解析求解
2.2 截面弯扭惯性矩的数值求解
2.2.1 截面弯扭惯性矩的有限元格式推导
2.2.2 双线性矩形单元的扭转惯性矩的有限元求解
2.2.3 任意四边形单元的扭转惯性矩的有限元求解
2.3 截面弯扭惯性矩的求解程序设计
2.3.1 单元刚度矩阵和单元结点列阵
2.3.2 矩形区域的扭转惯性矩
2.3.3 矩形区域的弯曲惯性矩
2.4 本章小结
第3章 考虑冲压工艺的薄壁截面拓扑优设计
3.1 移动可变形组件拓扑优化方法
3.1.1 水平集函数和Heaviside函数
3.1.2 移动可变形组件拓扑优化方法的原理
3.2 在移动可变形组件体系下的截面力学特性表达
3.3 截面拓扑优化
3.3.1 优化列式
3.3.2 灵敏度分析
3.3.3 移动渐近线优化算法
3.4 截面拓扑优化的程序设计
3.4.1 主函数
3.4.2 有限元分析的初始数据
3.4.3 组件几何信息的初始化
3.4.4 优化算法初始化
3.4.5 设置边界条件
3.4.6 准备有限元分析
3.4.7 优化的主循环
3.4.8 四个函数的说明
3.5 本章小结
第4章 数值算例
4.1 矩形截面力学特性
4.2 薄壁截面拓扑优化
4.2.1 验证算例
4.2.2 纯扭转工况
4.2.3 纯弯曲工况
4.2.4 组合工况
4.3 本章小结
第5章 总结与展望
5.1 工作总结
5.2 工作展望
参考文献
附录
作者简介及科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]整车偏置碰撞试验仿真对标分析[J]. 王晓平. 汽车工程师. 2020(01)
[2]某轿车正面碰撞安全性仿真分析[J]. 吴松. 内燃机与配件. 2019(24)
[3]某车型25%小偏置碰撞车体结构优化仿真研究[J]. 农天武,贾丽刚,林智桂,张骥超,刘家员. 汽车零部件. 2019(11)
[4]汽车碰撞安全装置的研制与开发[J]. 封彦鹏,王宜科,谢子龙,刘雅婷,夏芝硕. 技术与市场. 2019(09)
[5]偏置碰撞中轿车左后排乘员损伤的研究[J]. 彭聪,张道文,杨苓,刘卓异. 中国安全科学学报. 2019(03)
[6]浅谈汽车碰撞过程分析及安全设计要点[J]. 邓婕. 中国战略新兴产业. 2018(44)
[7]汽车安全车身研发与碰撞试验[J]. 房长江,王三琴,于海雷,钟响,刘东凯,左旭,闫东. 汽车实用技术. 2018(15)
[8]复合材料纤维截面的拓扑优化[J]. 王明庆. 中国科技信息. 2017(09)
[9]基于渐进结构优化算法的波形钢腹板箱梁桥截面拓扑优化研究[J]. 王军. 城市道桥与防洪. 2014(11)
[10]基于拓扑导数变化规律的快速水平集拓扑优化方法[J]. 赵飞. 机械设计与研究. 2014(03)
博士论文
[1]承载式公路客车车身正面碰撞安全性设计方法研究[D]. 吴长风.吉林大学 2019
[2]汽车侧碰安全性设计关键技术研究[D]. 赵敏.湖南大学 2012
硕士论文
[1]整车简化建模及其在虚拟试验场中的平顺性分析[D]. 赵兴.吉林大学 2019
[2]日字形和目字形管弯曲失稳实验及理论研究[D]. 黄科.吉林大学 2019
[3]面向力学性能的钢铝车身结构选材准则研究与应用[D]. 卢亚运.吉林大学 2019
[4]概念设计阶段的轿车车身结构简化建模及碰撞分析[D]. 桂春阳.吉林大学 2019
[5]可移动变形杆件结构布局的拓扑优化方法及程序设计研究[D]. 赵艳芳.吉林大学 2019
[6]纯电动汽车碰撞电安全分析与设计[D]. 曾泽江.南昌大学 2019
[7]基于小偏置碰撞的微型面包车驾驶员损伤分析[D]. 贾宏椿.重庆理工大学 2019
[8]含碰撞性能的纯电动车车身骨架多学科优化设计[D]. 肖琪.湖北汽车工业学院 2018
[9]城市电动客车侧面碰撞安全性研究[D]. 李凌伊.长安大学 2018
[10]基于改进水平集方法的三维多材料结构拓扑优化研究[D]. 赵春华.哈尔滨工程大学 2018
本文编号：3704478
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 研究现状
1.3 研究内容
第2章 梁截面的力学特性
2.1 截面弯扭惯性矩的解析求解
2.1.1 弯曲惯性矩的解析求解
2.1.2 扭转惯性矩的解析求解
2.2 截面弯扭惯性矩的数值求解
2.2.1 截面弯扭惯性矩的有限元格式推导
2.2.2 双线性矩形单元的扭转惯性矩的有限元求解
2.2.3 任意四边形单元的扭转惯性矩的有限元求解
2.3 截面弯扭惯性矩的求解程序设计
2.3.1 单元刚度矩阵和单元结点列阵
2.3.2 矩形区域的扭转惯性矩
2.3.3 矩形区域的弯曲惯性矩
2.4 本章小结
第3章 考虑冲压工艺的薄壁截面拓扑优设计
3.1 移动可变形组件拓扑优化方法
3.1.1 水平集函数和Heaviside函数
3.1.2 移动可变形组件拓扑优化方法的原理
3.2 在移动可变形组件体系下的截面力学特性表达
3.3 截面拓扑优化
3.3.1 优化列式
3.3.2 灵敏度分析
3.3.3 移动渐近线优化算法
3.4 截面拓扑优化的程序设计
3.4.1 主函数
3.4.2 有限元分析的初始数据
3.4.3 组件几何信息的初始化
3.4.4 优化算法初始化
3.4.5 设置边界条件
3.4.6 准备有限元分析
3.4.7 优化的主循环
3.4.8 四个函数的说明
3.5 本章小结
第4章 数值算例
4.1 矩形截面力学特性
4.2 薄壁截面拓扑优化
4.2.1 验证算例
4.2.2 纯扭转工况
4.2.3 纯弯曲工况
4.2.4 组合工况
4.3 本章小结
第5章 总结与展望
5.1 工作总结
5.2 工作展望
参考文献
附录
作者简介及科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]整车偏置碰撞试验仿真对标分析[J]. 王晓平. 汽车工程师. 2020(01)
[2]某轿车正面碰撞安全性仿真分析[J]. 吴松. 内燃机与配件. 2019(24)
[3]某车型25%小偏置碰撞车体结构优化仿真研究[J]. 农天武,贾丽刚,林智桂,张骥超,刘家员. 汽车零部件. 2019(11)
[4]汽车碰撞安全装置的研制与开发[J]. 封彦鹏,王宜科,谢子龙,刘雅婷,夏芝硕. 技术与市场. 2019(09)
[5]偏置碰撞中轿车左后排乘员损伤的研究[J]. 彭聪,张道文,杨苓,刘卓异. 中国安全科学学报. 2019(03)
[6]浅谈汽车碰撞过程分析及安全设计要点[J]. 邓婕. 中国战略新兴产业. 2018(44)
[7]汽车安全车身研发与碰撞试验[J]. 房长江,王三琴,于海雷,钟响,刘东凯,左旭,闫东. 汽车实用技术. 2018(15)
[8]复合材料纤维截面的拓扑优化[J]. 王明庆. 中国科技信息. 2017(09)
[9]基于渐进结构优化算法的波形钢腹板箱梁桥截面拓扑优化研究[J]. 王军. 城市道桥与防洪. 2014(11)
[10]基于拓扑导数变化规律的快速水平集拓扑优化方法[J]. 赵飞. 机械设计与研究. 2014(03)
博士论文
[1]承载式公路客车车身正面碰撞安全性设计方法研究[D]. 吴长风.吉林大学 2019
[2]汽车侧碰安全性设计关键技术研究[D]. 赵敏.湖南大学 2012
硕士论文
[1]整车简化建模及其在虚拟试验场中的平顺性分析[D]. 赵兴.吉林大学 2019
[2]日字形和目字形管弯曲失稳实验及理论研究[D]. 黄科.吉林大学 2019
[3]面向力学性能的钢铝车身结构选材准则研究与应用[D]. 卢亚运.吉林大学 2019
[4]概念设计阶段的轿车车身结构简化建模及碰撞分析[D]. 桂春阳.吉林大学 2019
[5]可移动变形杆件结构布局的拓扑优化方法及程序设计研究[D]. 赵艳芳.吉林大学 2019
[6]纯电动汽车碰撞电安全分析与设计[D]. 曾泽江.南昌大学 2019
[7]基于小偏置碰撞的微型面包车驾驶员损伤分析[D]. 贾宏椿.重庆理工大学 2019
[8]含碰撞性能的纯电动车车身骨架多学科优化设计[D]. 肖琪.湖北汽车工业学院 2018
[9]城市电动客车侧面碰撞安全性研究[D]. 李凌伊.长安大学 2018
[10]基于改进水平集方法的三维多材料结构拓扑优化研究[D]. 赵春华.哈尔滨工程大学 2018
本文编号：3704478
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