全柔性微型机构的拓扑优化设计技术研究

提出一种全柔性机构拓扑优化设计的新方法。用折衷规划法建立了柔性机构的多目标优化设计模型,在优化目标中引入运动学函数和结构函数分别表示柔性机构设计对机构柔性和结构刚度的要求,并采用伴随敏度分析法进行优化设计的敏度分析。将传统凸规划方法中的移动渐近线方法(MMA)推广到连续体的结构拓扑优化设计中,并形成一种新的具有全局收敛特点的移动渐近线方法(GCMMA)。对柔性机构拓扑优化设计中出现的数值计算困难问题进行了分析和研究,并提出一种改进的SIMP密度-刚度插值模型,该模型能有效消除机构中出现的棋盘格式和网格依赖性,并能明显减弱单点铰链连接问题。通过典型算例证明了本文方法的有效性,并对算例结果进行了快速原型制造。     

部件级多组件结构系统的整体式拓扑布局优化

基于多组件结构系统整体式拓扑布局优化设计方法,研究了同时含有部件布局、组件布局、主结构框架构型和部件结构构型4类设计变量的复杂系统协同优化设计问题,是整体式拓扑布局优化设计面向复杂飞行器结构系统设计的拓展。采用多点约束(MPC)模拟组件、部件及支撑结构之间的刚性连接,采用有限包络圆方法(FCM)解决组件之间、组件与设计域边界之间的几何干涉问题。通过整体式拓扑布局的刚度优化设计,部件和组件均可以获得优化的布局位置,同时主结构框架构型和部件结构构型获得优化的结构样式,充分体现了整体式拓扑布局优化设计方法应用于复杂结构系统设计的能力。     

考虑承载面最大位移约束的结构拓扑优化方法

在实际工程问题中,存在着一类承受分布力载荷作用的工程结构。为了实现此类结构的刚度设计要求,提出限制承载面变形的拓扑优化设计新模型。模型采用KS包络函数对承载面节点位移进行凝聚化处理,并推导了相应的伴随方程和敏度表达式。遵循独立连续映射法建模方式,采用一阶和二阶泰勒展开分别得到约束函数和目标函数的显式表达式。由此将优化问题转换为一系列标准二次规划子问题,采用序列二次规划算法进行高效、稳健求解。通过二维、三维数值算例验证了提出模型的可行性和有效性。结果表明,所提出的列式和相应的优化求解算法能有效控制结构局部区域的最大变形量。     

多组件结构系统布局拓扑优化中处理组件干涉约束的惩罚函数方法

包含大量组件的多组件结构系统布局拓扑优化设计中存在大量的组件干涉约束,研究了包含大量组件的结构系统整体式拓扑布局优化设计问题,基于有限包络圆方法（FCM）提出了处理组件干涉约束的惩罚函数方法,构造了包含结构刚度和组件之间几何干涉函数的内外混合惩罚函数,应用基于梯度的优化算法对包含数十个组件上百个干涉约束的多组件结构系统进行刚度优化设计,得到了清晰的支撑结构构型和无干涉的组件布局位置,充分体现了提出的混合惩罚函数方法在解决多组件结构系统布局拓扑优化设计中组件干涉问题上的有效性和适用性。     

惯导系统结构拓扑优化方法研究

针对惯导系统结构拓扑优化问题,提出了一种考虑多工况组合和等效边界处理的优化方法.以惯导系统结构件为研究对象,梳理了不同结构件的载荷工况;以刚度最大为 目标函数,以体积分数、结构频率和最大变形等作为约束条件,研究了变密度拓扑优化方法;以某惯导系统的盖板、惯性台体和外壳体3个结构件为例,进行了优化方法验证.结果表明,与传统...     

基于蚁群算法的机头结构二级布局优化方法

针对民机机头结构布局设计的拓扑变量与尺寸优化变量共存的混合变量设计问题,改进一般的蚁群算法,提出多城市层的蚁群算法转移概率准则,建立基于蚁群算法拓扑优化及准则法尺寸优化设计的二级结构布局优化法,第一级针对离散设计变量,采用蚁群算法确定结构的拓扑布局;第二级针对连续设计变量,基于准则法完成结构在前一级布局下的尺寸优化设计。优化设计结果表明：在满足强度和刚度约束下,相较于初始结构,杆件结构总重量减轻32%,且较常规尺寸优化效果更好。     

基于自适应随机抽样敏度分析的双向渐进结构优化方法

为了解决周期循环结构拓扑优化难题,在传统的双向渐进结构优化方法(BESO)的基础上,引入了一种自适应参数策略和随机抽样的方法,提出了基于自适应随机抽样敏度分析的双向渐进结构优化方法,该方法同样适用于非周期结构.以该方法为基础,对Michell桁架结构进行了拓扑优化设计,得到了与理论解一致的结构,并且相对初始结构质量减少了71.5%,说明了所提方法的正确性.基于此方法对多辐板风扇盘进行了结构拓扑优化设计,得到了三辐板风扇盘结构,相比同等设计条件下的参考风扇盘质量减少了17.12%,进一步说明了此方法具有处理复杂周期循环结构拓扑优化设计问题的能力,另外此方法克服了传统双向渐进结构优化方法中容易产生的振荡问题.      

基于水平集方法的连续体结构拓扑优化方法研究

考虑到现有各种连续体结构拓扑优化方法的优缺点,提出了一种新的连续体结构拓扑优化新策略。该方法将无网格法和水平集方法结合起来,充分发挥各自的优点,使得该拓扑优化新策略具有良好的收敛性和计算精度。     

考虑瞬态效应的周期性多材料传热结构拓扑优化

常规传热结构的周期性拓扑优化通常基于稳态热传导模型,并未考虑瞬态效应对设计结果的影响。针对瞬态热传导目标响应最大值最小化问题,搭建基于Ordered-RAMP法的多材料插值模型,提出一种周期性多材料瞬态热传导拓扑优化设计方法。该方法分别以时间历程内传热结构最高温度最小化与最高散热耗能最小化为设计目标,引入聚合函数处理设计变量的瞬态响应不可微问题,并通过重新分配单元目标函数基值实现子区域周期性约束设置。数值算例验证了所提方法的有效性和可行性。结果表明：不同热负荷工作时间下,均可得到材料分布合理、边界清晰的周期性拓扑构型,并能实现不同设计目标下的性能最优;周期性约束会对拓扑构型产生影响,且子区域数目越多优化目标越差。     

燃气涡轮发动机风扇盘拓扑优化

在连续体结构拓扑优化数学模型的基础上,根据某燃气涡轮发动机设计图建立了1/18循环对称简化的风扇结构模型,基于固体各向同性材料惩罚（SIMP）模型插值的变密度法对结构进行了拓扑优化设计。为了获得更好的风扇盘结构拓扑优化结果,提出了一种将增加质量和整体叶盘结构相结合的方案,并应用该方案,在原始风扇盘模型的基础上设计了三种扩大求解域后的对照模型。对所有的优化结果进行模型重建,并对危险工作条件进行了校核验证。结果表明:采用该方法对某型发动机风扇盘进行结构拓扑优化,能在满足强度和刚度要求的前提下使压气机质量减少349％。     

A new procedure for aerodynamic missile designs using topological optimization approach of continuum structures

This paper presents a multi-objective programming scheme for the conceptual design of aerodynamic missile's structure using topological optimization approaches, in which both the compliance and eigenfrequency are regarded as static and dynamic optimization objectives, respectively. During the conceptual design of the aerodynamic missile with multiple loadings, both the multilevel sequential programming approach and the compromising programming method are coupled together to settle the associated difficulties when the whole structure of the missile body is considered as a pre-defined design domain. The compromise programming method is first applied to describe the statically loaded multi-stiffness topology optimization, and the dynamic formulation is used to establish the subsequent optimization problem mainly concerned with free vibration. The main advantage of the proposed scheme is the flexibility of dealing with optimal topology designs for the whole structures of aerodynamic missiles with complicated loading cases. Solid isotropic material with penalization (SIMP) is used as the interpolation scheme to indicate the dependence of material modulus upon regularized element densities. The sequential convex programming approach is applied to solve the optimization problem. An engineering application is used to demonstrate the characteristics of the presented methodologies based on the commercial software package of Hyperworks.OptiStruct at Altair®.     

实现机翼前缘形状连续变化柔性机构的拓扑优化

 为了实现自适应机翼表面的连续准确变化和结构轻量化,将分布式柔性机构引入到机翼形状变化结构设计中。基于SIMP密度 刚度插值模型,以实际位移与目标位移之间的偏差最小为目标,建立了实现机翼前缘形状连续变化柔性机构的拓扑优化模型,采用Matlab编程对柔性机构进行了优化设计,并对不同参数变化的影响进行了讨论,最后使用Ansys9.0对其中一个优化结果进行了机构的仿真分析。研究结果表明：该机构可实现机翼前端0~8.14°的变化;不同的体积分数、驱动位置、权重因子将对优化结果产生不同程度的影响,从而证明了用分布式柔性机构实现机翼前缘连续形变的可行性和设计方法的有效性。     

Topology Optimal Design of Material Microstructures Using Strain Energy-based Method

提出了基于能量法的微结构灵敏度计算和构型优化新方法,与均匀化方法相比,虽然本质相同,但计算效率高、且软件实现更加简便。本文以微结构等效弹性矩阵各分量的不同组合为设计目标,采用对偶凸规划方法结合周长约束策略进行二维、三维微结构构型优化设计。算例结果表明,采用能量法的微结构优化方法与均匀化方法具有相同的效果,不仅能获得具有极端特性构型的材料微结构,而且具有推导简洁、编程简单的优点。     

基于能量法的微结构拓扑优化设计(英文)

提出了基于能量法的微结构灵敏度计算和构型优化新方法,与均匀化方法相比,虽然本质相同,但计算效率高、且软件实现更加简便。本文以微结构等效弹性矩阵各分量的不同组合为设计目标,采用对偶凸规划方法结合周长约束策略进行二维、三维微结构构型优化设计。算例结果表明,采用能量法的微结构优化方法与均匀化方法具有相同的效果,不仅能获得具有极端特性构型的材料微结构,而且具有推导简洁、编程简单的优点。     

多相材料结构拓扑优化的周长控制方法研究

针对多相材料结构的拓扑优化出现的棋盘格问题,研究了周长约束控制方法。根据多相材料组分情况下结构有限单元密度变量的定义特点,拓展了周长约束的原始定义概念并提出了相应的4种周长控制约束新格式。以结构最大刚度优化设计问题为例,结合凸规划对偶求解方法验证了4种格式的有效性。计算结果表明:独立控制各类变量周长的方式能更有效地实现多相材料结构的拓扑优化设计,获得消除棋盘格和中间变量值的清晰结果。     

基于罚函数序列凸规划的多无人机轨迹规划

多无人机（UAVs）轨迹规划是具有非线性运动约束和非凸路径约束的最优控制问题。引入序列凸规划思想,将非凸最优控制问题近似为一系列凸优化子问题,并利用成熟的凸优化算法进行求解,以更好地权衡最优性和时效性。首先,建立了多无人机协同轨迹规划的非凸最优控制模型。然后,利用离散化和凸近似方法将其转换为凸优化问题,包括对无人机运动模型的线性化,以及对威胁规避约束和无人机碰撞约束的凸化。同时,提出了一种离散点间的威胁规避方法,保证无人机在离散轨迹点间的飞行安全。在凸优化模型的基础上,给出了基于罚函数序列凸规划求解多无人机轨迹规划的具体框架。最后,通过数值仿真验证了方法的有效性,结果表明该方法在多机轨迹规划结果的最优性和时效性都要优于伪谱法,而且优势随编队数量的增加而增大。     

基于静动态特性的偏置动量轮轮体结构优化

对最高转速7000 r/min的3N·m·s偏置动量轮轮体综合其静动态特性建立结构优化数学模型,进行优化设计.依据人工材料变密度法,对轮体进行三维静动态拓扑优化,得到趋于4根工字梁辐条结构的概念模型;并提出工字梁与矩形辐条两种模型,采用ANSYS零阶方法分别进行尺寸优化,所得体积均为1.51×10-4m3,但工字梁辐条轮体一阶弹性频率(1468.0 Hz)高于矩形辐条轮体(1413.5 Hz),结构更优,进而验证了拓扑优化结果的合理性.研究方法对减小设计质量、降低轮体振动水平等具有借鉴作用.      

基于可行域调整的多相材料结构拓扑优化设计

针对多相材料结构柔顺度拓扑优化问题及其存在多个局部优化解的情况,提出一种新的多相材料结构柔顺度拓扑优化问题的求解方法, 并研究其获得多个局部优化解及寻找较好的优化解的能力。基于材料属性有理近似 （RAMP）模型,引入可行域调整技术,构建多相材料结构拓扑优化模型及近似优化模型。提出一种改进的交替主动相算法,该算法将多相材料结构拓扑近似优化模型分解为多个含2个主动相材料体积约束的系列二元相拓扑优化子模型,并利用光滑化对偶算法进行优化求解。与现有方法相比,采用多个不同的优化初始拓扑,提出的方法可找到更优的多相材料结构拓扑, 且为多相材料结构拓扑优化的多样性设计提供了一种有价值的思路与方法。     

Structural topology optimization under stationary random base acceleration excitations

Structural topology optimization subjected to stationary random base acceleration excitations is investigated in this paper. In the random response analysis, the Large Mass Method(LMM) which attributes artificial large mass values at each driven nodal Degree Of Freedom(DOF) to transforming the base acceleration excitations into force excitations is proposed. The Complete Quadratic Combination(CQC) which is commonly used to calculate the random responses in previous optimization has been proven to be computationally expensive especially for large-scale problems. In order to conquer this difficulty, the Pseudo Excitation Method(PEM) and the combined method of PEM and Mode Acceleration Method(MAM) are adopted into the dynamic topology optimization, and random responses are calculated using these two methods to ascertain a high efficiency over the CQC. A density-based topology optimization method minimizing dynamic responses is then formulated based on the integration of LMM and PEM or the combined method of PEM and MAM. Numerical examples are presented to verify the accuracy of the proposed schemes in dynamic response analysis and the quality of the optimized design in improving dynamic performance.     

中央大翼结构优化设计与分析

随着航空航天事业的发展,航空器的经济性和安全性都有了更高的要求,拓扑优化与结构的优化设计结构减重等的联系日趋紧密。简要论述了拓扑优化技术在航空领域的应用,在不同的工况下,对中央大翼进行静强度分析,论证了结构存在优化的空间。在此结构基础上,分别用 HyperMesh 和 Inspire 软件对中央大翼进行拓扑优化、尺寸优化和稳定性准则优化三级优化,根据优化后的结构并结合实际工程经验和优化需求进行细节建模,对优化后的模型进行强度、位移、屈曲、模态和疲劳分析,结果表明,优化后的中央大翼传力路径合理简单,结构质量较轻,结构合理可行。