大型箱体结构拓扑优化设计研究

发布时间：2017-10-07 04:21

  本文关键词：大型箱体结构拓扑优化设计研究

  更多相关文章： 大型箱体 拓扑优化 变密度法 数学模型 棋盘格现象 MATLAB PETSc

【摘要】：大型箱体是机械设备中常见结构件,采用传统设计方法导致其结构笨重,浪费材料,研究其轻量化设计势在必行。本文以大型箱体结构为研究对象,采用拓扑优化设计理论和方法,分析研究了大型箱体结构的拓扑优化设计方法、拓扑优化模型、拓扑优化程序实现、棋盘格现象和拓扑优化参数选择,完成了两个几何尺寸迥异的箱体结构的拓扑优化设计,得到了有指导价值的新型箱体结构,为大型箱体结构的系列化设计提供了设计参考。本文主要研究过程和结果如下：1、分析常用的各种大型箱体结构,提取了其结构特征,并通过分析各种拓扑优化方法的特点,选择了符合大型箱体结构特征的变密度法。2、以变密度法为基础,分别分析了体积约束、应力约束和位移约束情况下大型箱体结构的拓扑优化数学模型,进行了灵敏度分析,并针对结构载荷位置不确定情况,采用权值法思想构建了大型箱体结构的多工况拓扑优化数学模型。3、研究了基于MATLAB语言和基于C++程序编写的拓扑优化程序,大型箱体结构有限元分析采用8节点六面体单元,设计变量更新采用较为适合的MMA算法和OC准则法,分析和测试了可计算大规模节点自由度的基于PETSc的并行运算拓扑优化程序,并用于大型箱体结构的拓扑优化设计。4、使用模型实例分析了拓扑优化中的棋盘格现象,引入了密度过滤、灵敏度过滤和灰度过滤方法,采用多次计算对比结构特征,消除了棋盘格现象。采用实例验证方法,选择了适合大型箱体结构拓扑优化的惩罚因子值和过滤半径值。5、针对两种几何外形尺寸的大型箱体结构,在单工况和多工况条件下,采用不同拓扑优化程序,考虑不同过滤方法和设计变量更新算法,完成了两种大型箱体结构的拓扑优化设计,得到了结构特征相同的优化结果,分析对比两模型实例的结构特征为大型箱体结构系列化设计提供了参考。本文研究对大型箱体结构的创新设计、研发和系列化具有一定的参考价值。
【关键词】：大型箱体 拓扑优化 变密度法 数学模型 棋盘格现象 MATLAB PETSc
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN911.7;R54
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 1 绪论12-17
• 1.1 课题的来源与意义12
• 1.2 国内外研究现状与分析12-16
• 1.2.1 结构拓扑优化设计研究现状12-14
• 1.2.2 大型箱体结构拓扑优化设计研究现状14-15
• 1.2.3 研究现状总结15-16
• 1.3 本文的主要研究内容16-17
• 2 大型箱体结构拓扑优化设计理论17-23
• 2.1 结构特点分析17-18
• 2.2 结构优化设计方法区别18-19
• 2.3 拓扑优化方法(理论)选取19-22
• 2.3.1 方法适用性研究19-21
• 2.3.2 变密度法21-22
• 2.4 本章小结22-23
• 3 拓扑优化设计数学模型建立23-34
• 3.1 体积约束模型23-26
• 3.1.1 体积约束数学模型构建23
• 3.1.2 灵敏度分析23-26
• 3.2 应力约束模型26-31
• 3.2.1 应力约束数学模型构建26-28
• 3.2.2 灵敏度分析28-31
• 3.3 位移约束模型31-32
• 3.4 多工况模型32-33
• 3.5 本章小结33-34
• 4 拓扑优化程序设计34-47
• 4.1 节点位移求解34-37
• 4.1.1 有限元法基本过程34-36
• 4.1.2 有限元程序实现36-37
• 4.2 设计变量更新37-39
• 4.2.1 MMA算法37-38
• 4.2.2 OC准则法38-39
• 4.3 基于MATLAB语言的拓扑优化程序39-42
• 4.3.1 MATLAB拓扑优化程序简介40
• 4.3.2 MATLAB三维拓扑优化程序40-42
• 4.3.3 优化程序改写42
• 4.4 基于PETSc的拓扑优化程序42-46
• 4.4.1 PETSc简介42
• 4.4.2 拓扑优化程序42-43
• 4.4.3 拓扑优化程序有限元测试43-46
• 4.4.4 优化程序改写46
• 4.5 本章小结46-47
• 5 拓扑优化棋盘格问题与参数选择47-55
• 5.1 拓扑优化棋盘格问题及其应对策略47-50
• 5.1.1 棋盘格问题47-48
• 5.1.2 三种过滤函数48-50
• 5.2 拓扑优化参数选择50-54
• 5.2.1 惩罚因子p51-52
• 5.2.2 过滤半径r52-54
• 5.3 本章小结54-55
• 6 计算结果与分析55-67
• 6.1 模型一55-61
• 6.1.1 模型优化与分析55-58
• 6.1.2 模型重构与验证58-61
• 6.2 模型二61-65
• 6.2.1 模型优化与分析61-63
• 6.2.2 模型重构与验证63-65
• 6.3 系列化65-66
• 6.4 本章小结66-67
• 7 结论与展望67-69
• 7.1 结论67-68
• 7.2 展望68-69
• 参考文献69-73
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果73-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 焦洪宇;周奇才;李文军;李英;;刚度约束条件的周期性拓扑优化研究[J];机械科学与技术;2014年09期

2 署恒木;潘秀珍;魏升龙;王黎明;宋作苓;;不压井井口装置的结构优化设计[J];石油化工高等学校学报;2014年03期

3 李珊珊;丛明;王贵飞;周孜亮;;基于变密度法的床鞍结构拓扑优化设计[J];组合机床与自动化加工技术;2014年04期

4 郝宝新;周志成;曲广吉;李东泽;;大型航天器桁架式主承力结构构型拓扑优化研究[J];航天器工程;2014年02期

5 陈涛;芮执元;冯瑞成;徐秀治;;专用摩擦焊机床身多目标拓扑优化研究[J];机械设计与制造;2014年04期

6 许华e，

本文编号：986892