徐斌[1]2002年在《桁架结构动力学拓扑优化研究》文中提出结构拓扑优化是结构优化中最富有挑战新的领域，拓扑的改变可以大大改善结构的性能或减轻结构的重量，并有可能使无解的问题变得有解。在给定动力学约束条件下，进行结构动力学拓扑优化设计，成为当今结构优化设计的热点，在理论上和工程应用上具有很大的研究价值。 本文主要探讨桁架结构的动力学拓扑优化设计，其主要内容如下： 1．提出了桁架结构拓扑优化设计的一种新方法—拓扑组方法，可同时考虑应力，失稳，静动位移响应以及固频约束。对于桁架结构，此方法将节点代价与杆件代价结合在目标函数中一并考虑。这一新颖方法可克服构件删除与节点删除的矛盾； 2．对结构优化设计的约束的性质(即约束的可行域)进行了分析，得出了固频约束的可行域是非凸集，其余约束的可行域是凸集，固频约束是决定优化解是否存在的关键约束等有益结论； 3．证明了在保持结构拓扑基本不变的情况下，桁架结构优化频率的极值存在，为具有频率约束的结构的横截面积优化以及进一步的拓扑优化提供了优化指向； 4．从一般工程意义上探讨了桁架结构动力学拓扑优化设计解的存在性：无固频约束时，设计变量连续且不考虑上限约束，则优化问题总是有解；考虑固频约束时，频率约束是是否有解的关键约束，并且改变结构拓扑形状可以改变解的存在性。从而可以减少优化的盲目性及优化的代价； 5．将拓扑组方法拓展地应用于桁架结构的选型优化设计，初步探索了基于可靠性的拓扑优化问题。
薛晓光[2]2013年在《基于能量流分析的结构动力学拓扑优化理论与方法研究》文中研究表明为了提高航天、海洋等复杂装备结构的动力学特性，减轻其重量，并扩大结构的设计空间，本文系统研究了结构动力学拓扑优化的相关理论和方法。搭建了结构拓扑优化与结构能量流分析的理论融合桥梁，基于Rayleigh阻尼对比分析了频率响应、动刚度和特征频率动力学拓扑优化的建模、求解过程和优化结果，提出了基于功率流响应、模态功率流和能量有限元的结构动力学拓扑优化方法，开发了结构动力学拓扑优化的软件集成原型系统。本文紧紧围绕结构动力学拓扑优化方法和应用面临的关键理论和技术问题展开研究，研究的主要内容包括：结构拓扑优化与结构能量流分析的理论融合；基于Rayleigh阻尼的结构频率响应、动刚度和特征频率动力学拓扑优化；基于功率流响应的结构动力学拓扑优化；基于模态功率流理论的结构动力学拓扑优化；基于能量有限元的结构能量流拓扑优化；基于拓扑优化的结构设计集成系统。论文研究取得的主要创新成果包括：1、通过研究基于材料分布的结构拓扑优化和结构能量流分析的基本理论，搭建了两种理论的融合桥梁，为结构动力学拓扑优化开辟了一条新的研究途径。2、基于Rayleigh阻尼全面对比分析频率响应、动刚度和特征频率动力学拓扑优化的建模、求解过程和优化结果，揭示了叁种拓扑优化模型的物理内涵、优缺点及其相互联系，为基于能量流分析的结构动力学拓扑优化提供了模型参考标准和结果参考依据。3、提出了基于功率流响应的结构动力学拓扑优化方法，推导了功率流响应的复模型表达，构建了基于功率流响应的结构动力学拓扑优化数学模型，采用伴随灵敏度分析和移动渐进线的方法对模型进行了求解，讨论了优化结果的减重特性，揭示了加载频率、材料和阻尼因子等设计参数对优化结果的影响规律。4、提出了基于模态功率流理论的结构动力学拓扑优化方法，构建了基于模态功率流理论的最小输入模态功率流和最大单阶功率流模态的的结构动力学拓扑优化数学模型，基于移动渐进线法分别对模型进行了求解，优化结果与传统功率流分析方法进行了对比分析，讨论了模态功率流理论在结构动力学拓扑优化中的应用可行性和优势。5、研究了基于能量有限元法的结构能量流拓扑优化设计，实现对结构能量流传播过程的控制和优化。从稳定状态的能量流控制方程出发，基于能量有限元法和材料接合面处的功率流守恒关系推导了双材料结构能量流拓扑优化数学模型。建立了材料密度、弹性模量和阻尼系数等设计参数的双材料SIMP插值函数。利用移动渐近线和拓扑灵敏度分析的方法对模型进行了求解。分析了不同加载频率下的最优拓扑结果，并与动刚度拓扑优化结果进行了定量对比。讨论了结构能量流拓扑优化与结构模态特性的关系，进一步验证了该方法的有效性和可行性。6、以结构拓扑优化的理论研究成果为指导，构建了基于拓扑优化的结构设计集成系统的工作流程和体系结构，设计了系统的功能和数据模型，并在此基础上开发了原型系统。总之，本文主要针对结构动力学拓扑优化方法和应用需要解决的关键理论与技术问题展开系统深入研究：进一步完善了结构动力学拓扑优化的理论方法，构建了结构拓扑优化和结构能量流分析的理论融合桥梁，提出了基于功率流响应、模态功率流和能量有限元的结构动力学拓扑优化方法，这些研究成果为面向动力学特性的结构轻量化设计应用奠定了重要的理论基础和技术支撑。
顾松年, 徐斌, 荣见华, 姜节胜[3]2005年在《结构动力学设计优化方法的新进展》文中研究说明阐述结构动力学优化设计的研究背景和意义。根据实践,扼要介绍近十年作者在结构动力学设计研究方面取得的若干新近展,内容包括,随机激励下以均方响应为约束的设计方法、结构动力学形状优化、结构动力学拓扑优化、动力学设计约束的性质和解的存在性以及结构控制一体化优化设计,并对进一步的研究工作做简要展望。
洪晨[4]2017年在《桁架和连续体结构在非平稳随机荷载下的拓扑优化》文中进行了进一步梳理工程结构在服役期间不可避免地受到各种随机荷载作用的影响,例如风荷载,地震荷载等,且这类随机荷载多具有明显的非平稳特性。因此,开展此类随机荷载作用下的结构优化设计研究具有重要的工程应用价值。近年来,时域显式法在大型复杂结构非平稳随机振动分析过程中表现出快速高效、计算精度高等特点,并且在随机响应灵敏度分析过程中显示出良好的实用性。因此,本文的主要研究内容是在随机响应灵敏度分析的时域显式法基础上结合振型展开和Newmark-β法推导了结构非平稳随机响应灵敏度分析的时域显式表达式,并考虑由于振型选取的不确定性导致该方法计算精度和计算效率都不理想,进而采用振型加速度法对动力响应及其灵敏度分析结果进行修正,最后将本文方法应用于桁架结构和连续体结构随机动力拓扑优化问题中。以下是本文的具体研究工作:首先,本文将灵敏度方程转换到模态空间下,根据随机响应灵敏度分析的时域显式法求解思路,基于振型展开和Newmark-β法推导结构动力响应灵敏度分析的时域显式表达式,并引入振型加速度法对该表达式进行修正,由此在保证计算精度的同时显着提高随机响应灵敏度的计算效率。最后通过数值算例验证本文方法在非平稳随机响应灵敏度分析中的有效性及相对优势。其次,建立以桁架结构体积最小为目标、响应方差为约束的优化模型,并根据本文方法中系数矩阵的物理意义简化随机响应及其灵敏度的分析过程,最后,采用全局收敛的移动渐进线法求解优化问题。并通过数值算例验证本文方法在处理非平稳随机地震作用下桁架结构形状与拓扑优化中的可行性及相对优势。然后,针对设计变量数远远多于目标函数和约束函数个数的一类优化问题的灵敏度分析,本文引入基于伴随法格式的时域显式法,并在此基础上推导了结构速度和加速度响应灵敏度分析基于伴随法格式的时域显式表达式。随后,将基于振型加速度法的时域显式表达引入伴随方程及响应系数矩阵的求解,进一步提高该方法的计算效率。并通过二维和叁维连续体结构数值算例验证改进后的方法的有效性及相对优势。最后,对本文全部的工作进行了总结,并对后续的研究工作提出展望。
魏磊[5]2017年在《长焦距宽视场空间相机主支撑结构优化设计》文中研究指明离轴叁反光学系统没有中心遮拦,可以实现大视场,高分辨率,获得接近理想的成像性能和效果,被各国科研人员广泛作为空间相机的光学系统。但由于其光学系统的非对称性特点,相对于同轴对称系统,它的支撑结构设计与装调技术是公认的技术难点。此外,为了实现空间相机的超大幅宽与高地面分辨率,实现详普查功能一体化,需要不断增大光学系统的焦距与视场角,大视场长焦距离轴叁反光学系统中,各光学元器件的位置精度要求更加严格,空间相机在装调、运输、发射过程中的尺寸稳定性也更加难以保持,这些都给主支撑结构设计带来了很大的挑战。本论文根据某离轴叁反光学系统空间相机,其主、叁、折迭镜长度均超过1200mm,长宽比均超过3:1,质量均大于40kg,主次镜间距超过1500mm的特点,从以下5方面对大型离轴叁反空间相机主支撑结构的优化设计及力学性能展开了深入研究。1.调研国内外离轴空间相机主支撑结构的典型形式,针对高分辨率、宽视场离轴叁反光学系统的特点,分析研究了不同支撑方式的优缺点,选取适合本论文的主支撑结构形式。2.桁架结构拓扑形式研究。根据变密度法,对本论文研究的桁架式支撑结构进行多目标拓扑优化设计,设计出合适的桁架式初始结构,并将此初始结构拆分成各个次结构,研究分析次结构桁架杆角度对整机性能的影响。3.前框架结构优化设计研究。根据光学系统特点,提出一体化支撑折迭镜、次镜组件的前框架结构。首先,结合加工工艺性与前框架的尺寸要求,通过对不同航天常用工程材料分析对比,选取钛合金作为前框架的研制材料;其次,根据基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷,提出了一种综合基于自由模态与约束模态拓扑优化方法,优化设计前框架结构的轻量化形式;最后,对研制出的前框架结构的进行了自由模态分析与MIMO自由模态试验,验证了优化与分析方法的正确性。4.基于动力学目标的桁架杆尺寸优化设计。根据随机振动理论,提出加强局部区域的刚度可以减小该区域随机振动响应的假设,并提根据此观点提出了一种以镜子安装点随机振动响应最小的多目标尺寸优化方法来优化本论文的桁架杆尺寸,通过桁架结构力热样机动、静态力学分析与试验,验证了该设计方法的合理性,并验证了本论文所提出理论假设的正确性。5.桁架结构消热设计。研究离轴空间相机桁架结构热变形特点,根据消热化设计原理中热变形后桁架杆轴向距离相等的原则,推算出各个桁架杆热膨胀系数的函数关系,并根据光学公差要求,推算出桁架杆热膨胀系数的取值范围;并根据碳纤维复合材料热膨胀系数可设计的特点,综合刚度与热膨胀系数两方面因素,设计出满足性能要求的桁架杆碳纤维复合材料铺层方式。
徐斌, 吴克恭, 姜节胜[6]2002年在《桁架结构动力学拓扑优化设计解的存在性探讨》文中指出首先证明了桁架结构在拓扑构形不变的情况下 ,优化的关键约束—频率的极值的存在。然后进一步从两个方面给出了桁架结构动力学拓扑优化解存在的基本理论 :无固频约束时 ,设计变量连续且不考虑上限约束 ,则优化问题总是有解 ;考虑固频约束时 ,频率约束是是否有解的关键约束 ,并且改变结构拓扑形状可以改变解的存在性。文中算例说明所提理论是正确、合理和有效的。
杨振兴[7]2005年在《汽车与机械结构动力学拓扑优化方法及其应用研究》文中进行了进一步梳理结构拓扑优化设计方法是近几年发展起来的新方法,并取得了瞩目的进展。本文针对汽车与机械结构的动力学优化设计问题,首先,研究和分析了国内外在结构渐进优化法方面的发展状况。其次,为了处理实际工程中的动静力联合作用下的动力控制问题,基于模态截断法和一些近似处理,本文导出了一套窄带随机激励下的均方动响应及其灵敏度公式,研究了静载荷和窄带随机载荷作用下结构的动力学拓扑优化准则。并通过对宽带随机载荷激励下结构动响应和灵敏度的推导,初步探索了宽带随机载荷激励下的双方向结构渐进优化(BESO)优化准则及算法。 针对当前叁维结构拓扑优化的理论和应用方面的一些困难,本文研究和发展了考虑静力、动力要求的叁维结构拓扑优化方法和实现算法。在该方法研究基础上,结合GID 软件,开发了叁维结构拓扑优化软件。结合频率灵敏度公式,开展了叁维结构的频率拓扑优化设计以及静力与频率联合优化设计的方法研究。 本文对上述方法和程序进行了大量汽车与机械构件的仿真计算。结果表明了本文研究的方法是正确和有效的,可为汽车与机械结构及零部件轻量化设计提供重要的设计方法和手段,具有较好的工程应用价值。
孙博宇[8]2012年在《拓扑优化方法在机械产品设计中的若干关键问题研究》文中认为拓扑优化主要研究在给定设计空间、支撑条件、载荷条件等要求下材料的最优分布问题。本文在分析总结相关研究成果的基础上，以拓扑优化在不同机械结构设计中的若干关键问题研究为主线，以拓扑优化方法的基础理论、常用方法、优化算法、关键问题及应用为提纲进行研究。论文首先对拓扑优化中常用的材料插值方法进行总结研究，系统分析了均匀化理论和SIMP材料插值方法，推导了基于SIMP方法的拓扑优化模型，得出了基于优化准则法的迭代格式及分析流程。针对机械设计中常见的刚度问题对现有拓扑优化中若干关键问题进行探讨：论文深入分析现有Lagrangian乘子的求解的不足，并提出一种改进Lagrangian乘子的求解法；从理论角度分析了静力学中由多载荷步导致的“病态”载荷现象产生的原因，并采用分布载荷的方法有效的解决这种现象；分析了动力学中局部频率现象产生的原因及对优化的影响，并采用ESO方法有效避免局部载荷现象。本文还针对现代结构设计中的热力学以及渗流力学问题进行了深入的研究探讨，并编制了相关的拓扑优化程序。
乔白羽[9]2018年在《多段式喷杆动力学特性分析与结构优化设计》文中指出喷杆式喷雾机作为大田病虫害防治中应用最普遍的植保机具,需要具有良好的动力学性能来保证施药作业的稳定性以及喷洒的均匀性。目前我国的喷杆喷雾机行驶在田间凹凸不平的地面时,容易受到外部激励的影响,导致喷雾机的机身受到振动,进而传递给喷杆,引起喷杆的振动,导致作业效率下降。因此,提高喷杆的动力学性能、减轻喷杆的振动是提高施药质量和雾滴分布均匀性的关键。本文以某五段式喷杆喷雾机作为研究对象,针对喷杆结构动力学特性的设计缺陷,研究喷杆展开状态下的动力学性能。然后利用结构优化方法对喷杆结构进行拓扑优化和尺寸优化,设计出一个满足刚强度要求的轻量化柔性桁架式喷杆,并对优化后的喷杆结构进行随机振动仿真模拟,验证了喷杆的减振效果。本研究为多段式喷杆的动力学特性研究与结构优化提供理论依据。具体展开的研究工作如下:(1)多段式喷杆初始结构的动力学性能研究。在叁维软件中建立该五段式喷杆的初始几何模型,将模型导入到ANSYS Workbench中利用有限元模态分析法分别求解出该喷杆整体以及喷杆右侧各段的前6阶固有频率和模态振型。结果显示各段喷杆第一阶固有频率均在1~7Hz的范围内,其中整机喷杆的第一阶固有频率为2.3Hz,与激振源的频率区间接近,喷杆容易发生共振。(2)多段式喷杆结构的模态试验。用行车牵引,喷杆与弹簧叁角悬挂,采用锤击法对该喷杆进行模态测试试验,对比测试结果和有限元模态分析结果发现,喷杆前8阶共振频率差均在10%以下,各阶振型所对应的模态置信准则都在0.8以上,验证了理论分析的可靠性。(3)多段式喷杆初始结构的拓扑优化设计。以材料的畸变能密度为优化目标,在ABAQUS中利用变密度法对喷杆结构进行拓扑优化设计。按照喷杆的初始结构和实际工况,初步设定喷杆大致的初始设计空间,建立喷杆的可设计域,获得同时符合刚度和振动频率条件的喷杆拓扑结构,基于此结构,对喷杆进行改进设计,得到材料分布合理的桁架结构。(4)多段式喷杆桁架系统的尺寸优化设计。在确定喷杆结构的内部材料分布之后,对喷杆桁架结构进行尺寸优化。以喷杆结构的质量为优化目标,结构的一阶固有频率为约束响应,对喷杆桁架的截面尺寸进行优化,在保证喷杆刚度变化不大的前提下,得到喷杆各桁架厚度减小、总体质量减轻的轻量柔性桁架式喷杆。在此基础上对优化后的喷杆结构进行动力学分析,结果显示在该五段式喷杆的质量减少16.3%的情况下,喷杆的一阶固有频率提高到7.39Hz(增加了4.93Hz),有效的避开了频率共振区间,减轻了喷杆的振动。(5)优化后喷杆桁架的随机振动仿真分析。基于对初始喷杆结构的拓扑优化和尺寸优化,得到了材料分布和桁架尺寸较为合理的新喷杆结构。在此基础上,对喷杆结构进行振动位移测试。结果显示优化前振动响应点在Y方向的最大位移响应量在200mm范围内,优化后喷杆的振动位移响应量处于100mm范围内,喷杆的减振达到了良好的效果,证明了仿真分析的合理性,验证了喷杆的优化效果和新喷杆结构的动力学性能。
李栋泓[10]2016年在《非平稳随机地震下桁架结构形状与拓扑优化》文中研究说明由于大部分工程结构设计周期内会不可避免地受到随机荷载的作用,如地震、台风和海浪等的作用。因此,在结构优化设计中考虑这类荷载的作用是很有必要的。而近年来,由于时域显式法在求解随机响应问题上表现为快速高效、计算精度高等优点而被越来越多的学者所研究和应用。本文的主要研究目标是探讨基于时域显式法的随机响应灵敏度分析的方法,结合有效的优化算法将其应用于桁架结构的形状及拓扑优化的问题中。研究表明该方法的可行性及实用性良好且具有广阔的应用前景。以下是本文的具体研究内容:首先,基于时域显式法的思路,采用两种不同的积分格式推导了随机响应灵敏度的时域表达式。通过分析积分时间步长对这两种积分格式的计算精度及效率的影响,为随机响应灵敏度分析方法的选择提供了一个参考标准。其次,采用随机响应灵敏度的时域法与全局收敛的移动渐近线方法相结合,研究了非平稳随机地震下位移约束的桁架优化问题。通过数值算例说明该方法的可行性及实用性,并对优化后的结果进行分析。结果表明该方法既起到了减小结构的振动,又能使结构用料降低的目的,体现了工程应用的价值。接着,在研究时域法和时域显式法的效率区别上,采用更实用更高效的基于脉冲响应函数的时域显式法来求解随机响应的灵敏度,并用于处理桁架结构在位移与应力同时约束下的优化问题。通过数值算例说明该方法的有效性及实用性,并对其计算效率与优化效果进行总结分析。最终,也将该方法推广应用于空间桁架结构的优化算例中。最后,对本文的全部内容进行总结,并对今后的研究发展方向进行展望。
参考文献：
[1]. 桁架结构动力学拓扑优化研究[D]. 徐斌. 西北工业大学. 2002
[2]. 基于能量流分析的结构动力学拓扑优化理论与方法研究[D]. 薛晓光. 国防科学技术大学. 2013
[3]. 结构动力学设计优化方法的新进展[J]. 顾松年, 徐斌, 荣见华, 姜节胜. 机械强度. 2005
[4]. 桁架和连续体结构在非平稳随机荷载下的拓扑优化[D]. 洪晨. 华南理工大学. 2017
[5]. 长焦距宽视场空间相机主支撑结构优化设计[D]. 魏磊. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所. 2017
[6]. 桁架结构动力学拓扑优化设计解的存在性探讨[J]. 徐斌, 吴克恭, 姜节胜. 机械科学与技术. 2002
[7]. 汽车与机械结构动力学拓扑优化方法及其应用研究[D]. 杨振兴. 长沙理工大学. 2005
[8]. 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
[9]. 多段式喷杆动力学特性分析与结构优化设计[D]. 乔白羽. 中国农业科学院. 2018
[10]. 非平稳随机地震下桁架结构形状与拓扑优化[D]. 李栋泓. 华南理工大学. 2016
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