双向渐进结构拓扑优化方法的改进及应用

随着拓扑优化在结构设计在初始阶段中体现出来的创新性受到越来越多的认可，结构拓扑优化成为了结构优化设计领域的热点研究对象。与尺寸优化和形状优化等优化方法相比，结构拓扑优化在结构设计之初就能给设计者一个不需要任何工程经验的概念设计，对工程设计人员更具吸引力。进行连续体结构的拓扑优化数学模型建立有多种方式，涉及的变量较多，同时又各具优缺点，使得拓扑优化的工程应用未能普及。本文研究的双向渐进结构优化方法(简称BESO方法)具有算法简单、与有限元分析程序连接容易等优点，在结构拓扑优化中的应用越来越广。本文以连续体结构为研究对象，对双向渐进结构拓扑优化方法与应用进行讨论，通过对其进行改进以提高其合理性、通用性以及工程实际应用能力。本文首先针对现阶段的渐进结构拓扑优化方法，总结归纳其在应用中遇到的各类常见问题及解决方法，通过分析这些方法的优缺点，提出了基于遗传算法思想并结合网格过滤技术的改进方法，避免了拓扑优化常见的“棋盘格”、网格依赖性及进

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拓扑优化是在给定的约束和载荷条件下寻求材料在设计域内最优分布的方法。结构的拓扑构形选择是否恰当,决定了产品设计的主要性能,因而拓扑优化技术在产品概念设计阶段具有重要意义。从经济学角度看,拓扑优化可以减少设计成本、提高产品开发效率,被公认为是结构设计中回报最高的工作,已经成为结构设计中的研究热点。本文分析了拓扑优化方法的研究现状,针对拓扑优化的重要方法之一的双向渐进结构优化(BESO)法展开研究,通过对其进行改进提高优化的合理性,将改进后的BESO法拓展到多目标优化以及动态优化领域以提高其工程应用性。首先,本文介绍了各向正交惩罚材料变密度法(SIMP)和BESO法的基本理论,对两种方法在Michell型结构、MBB梁结构经典算例中的应用进行探讨,得到两种方法在应用中各自的优势与不足。其次,分析了 BESO法应用于一些优化问题求解失败的原因,针对传统BESO法灵敏度计算误差大、寻优能力欠佳等问题,将SIMP法插值思想与BESO法结合...

(本文共92页)

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连续体结构拓扑优化是目前结构优化领域研究的热点问题之一,相对于传统的尺寸优化和形状优化,拓扑优化处于结构的概念设计阶段,其结果是一切后续优化设计的基础,因而结构拓扑优化能够取得更大的经济效益,对于工程设计具有更重要的意义。本文分别对基于变密度法、渐进结构优化方法和多岛遗传算法的连续体结构拓扑优化方法及其中的数值计算问题进行了研究,利用大型有限元软件ANSYS强大的前后处理及计算功能,开发了以上三种方法的拓扑优化程序和用户图形化界面;对某自行榴弹炮的炮塔体进行了结构动态响应分析和优化,将拓扑优化方法应用到炮塔托架体的设计中,借助于优化来实现炮塔体轻量化设计。主要的研究内容包括:1、分别推导了结构体积和刚度约束下基于变密度方法和优化准则法的拓扑优化算法;提出了一种新的灵敏度过滤算法,有效消除了优化过程中的棋盘格和网格依赖数值问题;利用ANSYS软件强大的前后处理及计算功能编制了拓扑优化程序,以典型算例对其准确性进行了验证,并将其应用...

(本文共146页)

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随着有限元技术和结构优化设计的结合,结构拓扑优化在现代工程中越来越发挥着不可替代的作用。相比传统的尺寸和形状优化,拓扑优化能够取得更大的经济效益。目前拓扑优化的许多工作还处于探索阶段。渐进结构优化方法和变密度法是当今连续体拓扑优化方法中较为成熟的方法,在各种工程中的应用已经充分展现了解决实际工程优化设计问题的能力,因此选取变密度法和渐进优化方法作为主要研究对象进行研究。针对变密度法,本文阐述了在体积约束下,采用最小柔度作为目标函数,构造的适应于结构拓扑优化的数学模型。并选取了有效的求解方法——准则法,对迭代格式进行了推导,并利用MATLAB编程实现。对于渐进优化方法,本文在应用于全局刚度约束的拓扑优化问题的传统渐进方法的基础上,提出了基于双向删除率进化准则和边缘光顺方法的改进方法。通过MATLAB求解算例,验证了新方法的优化稳定性以及对棋盘格现象的抑制作用。为了进一步探索拓扑优化在实际工程中的应用,本文以起落架斜撑杆结构为对象。...

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结构优化一直以来都是结构工程领域研究的热点,拓扑优化同尺寸优化与形状优化相比,更是结构优化中最为复杂的研究领域,而双向结构渐进优化方法(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization,BESO)作为一种理论简洁且优化效率高的结构拓扑优化方法,其在结构拓扑优化中的重要地位不容忽视。本文在综合国内外对BESO法研究的基础上,归纳总结了BESO法的应用流程;然后推导出多约束条件下的BESO优化方法;接着提出了可衡量优化效率的性能指标和使优化过程平稳的自更新进化率;并研究了结构在动态荷载作用下的拓扑优化问题;最后以一大型主次框架—支撑结构为算例,讨论了如何把上述改进的拓扑优化算法应用于实际工程的结构拓扑优化设计过程中。本文主要工作如下:首先,介绍双向渐进结构优化方法的基本理论与流程,通过运用灵敏度的过滤技术,解决棋盘格和网格依赖性等数值不稳定问题。在此基础上,分别介绍了三种基于单约...

(本文共123页)

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结构拓扑优化是常规优化设计基础上发展起来的高新技术，用主动而目标明确的改善式设计，取代了传统的消极地校验式设计，使得结构设计的设计流程从根本上得到了改变。因此，结构拓扑优化方法的研究对结构设计具有重要意义。本文以ABAQUS有限元软件为基础，对渐进结构优化方法进行研究与改进，并将改进的方法运用于具体的工程实例中，得到了一种具有借鉴意义的轻量化设计方案。渐进结构拓扑优化方法是一种启发式的结构拓扑优化方法，基本思想简单，适应范围广，可以通过现有的有限元软件实现，且不产生0-1之间的中间密度，拓扑形式清晰，具有良好工程应用前景，因而在国内外受到了广泛的关注与研究。本文研究了渐进结构优化方法的基本理论，分析了其计算的基本过程，发现其计算过程中数值不稳定现象。针对该问题提出了一种基于灵敏度的变删除率计算方法，同时限制目标函数变化量，以改善计算过程中数值不稳定现象。根据提出的方法，修改相关程序，实现该方法在计算机上的运行。通过经典算例的计算...

(本文共57页)

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