基于双线性类桁架材料模型的拉-压杆拓扑优化设计

拉-压杆模型是复杂钢筋混凝土结构配筋设计的标准方法之一,采用拓扑优化建立复杂应力区域的拉-压杆模型具有十分重要的意义.渐进结构优化类算法和各向同性材料惩罚模型类算法已经广泛应用于此类研究,这些算法的优化对象为各向同性的等厚度带孔板,其本质是在最优解附近寻找近似解.此外,由于应力-应变曲线不光滑的特性给求解优化问题带来困难,现有拉-压杆构建方法很少考虑材料拉压性能不同对最优拓扑产生的影响.本文提出了一种基于双线性类桁架材料模型的拓扑优化算法,以寻求复杂混凝土结构中拉-压杆的最优拓扑构型.该方法以结点位置正交杆件的密度和方向作为设计变量,拉伸区和压缩区的材料特性分别与钢筋的拉伸模量和混凝土的压缩模量一致.采用材料替换方法克服拉压异性模量引起的非线性问题,并给出了单元刚度矩阵的修正方法.优化问题采用基于灵敏度信息的迭代算法求解.数值算例表明,结构拉压性能差异对最优拓扑结构产生显著影响.与现有基于单元密度的优化方法相比,所提方法能够准确描述复杂应力状态下的材料最优分布场,计算效率提高约26%,同时给出更多材料分布细节.

结构拓扑优化数值方法研究进展

综述结构拓扑优化数值方法,分析其主要发展趋势。根据不同近似参数比较两类主要优化方法,基于材料的方法借助离散形式的参数描述材料分布场,具有自由度高、描述能力强等优点,基于几何的方法通过描述材料边界形成最优结构,边界清晰且无需后处理。结果表明:放松工程制造约束和提高求解效率是拓扑优化值得深入探索的研究方向,具有广阔的应用前景。

结构拓扑优化研究方法综述

结构拓扑优化研究方法目前有解析方法和数值方法两大类.首先介绍了解析方法中的Michell理论,它在结构拓扑优化领域研究较早,影响最为深远.随后着重讨论了杆系和连续体结构拓扑优化的数值方法.杆系结构常采用基结构方法,通过删除部分杆件达到结构拓扑优化的目的.连续体结构一般要划分为有限单元,通过删除单元形成带孔的连续体,以实现拓扑优化.介绍了连续体结构拓扑优化常采用的材料模型:各向同性、各向异性和带微结构材料.并对连续体结构(0-1)拓扑优化中的数值计算不稳定问题的机理进行了分析,给出了解决方法.此外,对应力约束问题存在解的奇异性现象也作了简要介绍.最后,对数值方法中的主要数学求解方法进行了简单介绍.

遗传算法计算效率的改进

根据适应值的分布 ,采用缩小、移动搜索区间的方法 ,将整体和局部寻优能力有机地结合起来 ,明显地提高了遗传算法的收敛速度和解的精度 .本文提出的方法对大范围、高精度寻优尤其适合 .最后以连续函数为例 ,说明了算法的有效性 .

利用有限元构造Michell桁架的一种方法

提出了一种新的形成Michell桁架的有限元分析方法.该方法以纤维增强正交各向异性复合板为材料模型,根据有限元分析结果调整各单元的纤维密度和方向.采用所提出的一种迭代格式,经过少量迭代,形成满足Michell准则的应变、内力场.该方法适于不同几何形状、支撑条件及荷载情况.算例结果表明该方法是有效的.

《连续结构拓扑优化:综述》简评

结构优化可以分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化.其中拓扑优化的作用是重要的和决定性的,而难度也最大,被认为是最具挑战性的课题.拓扑优化又经常被称为轮廓优化或广义形状优化,拓扑优化对象有离散结构和连续体结构.连续体结构拓扑优化的目的是在给定荷载、约束、材料和目标函数下,确定连续体内部孔的数量,以及内部和外部边界的形状.连续体结构拓扑优化的研究历史可以追溯到一百多年前,近十几年来研究非常活跃,文献也非常丰富.Hens A Eschenauer与Niels Olhoff合作,于2001年7月发表在<Applied Mechanics Reviews>54卷第4期上的<Topology optimization of continuum structures:A review>一文是其中比较突出、也比较新的综述文献.它对连续体结构拓扑优化问题的基本理论、主要研究方法、目前研究现状以及应用领域做了全面系统的评述.文章体系完整,内容丰富.建议相关研究者给于特别关注.全文分七章,引用专著、报告、讲稿和论文等文献共425篇.

用可退化有限单元进行平面连续体拓扑优化

提出一种基于准则法的平面连续体结构拓扑优化方法。该方法根据单元在结点处的厚度或应力值决定删除单元或将矩形单元退化为三角单元 ,使迭代过程更加平稳。在一定的计算量下 ,提高了计算精度 ,减少了迭代次数 ,使优化结构的边界更加光顺。该方法可同时应用于等厚度和变厚度平面连续体的拓扑优化问题。本文推导了变厚度矩形有限单元的刚度矩阵 。

结合拓扑分析进行平面连续体拓扑优化

避免目前平面连续体结构拓扑优化过程中经常出现的单元铰接以及“棋盘格”等现象 ,研究了连续体结构拓扑优化过程的拓扑分析方法 ,以及在计算机上实现的简便算法 .根据代数拓扑理论 ,单元及连续体的边界作为 1-复形进行运算 .利用图论中的邻接向量概念 ,在计算机上实现了结构的拓扑描述及拓扑运算 ,得到了结构在拓扑演化过程中的拓扑特性 ,方法简单、可靠 .在一定的拓扑约束下 ,根据应力分析结果 ,采用删除单元、单元退化、移动节点等方法 ,可以用较少单元得到更为满意的结果 ,提高计算效率 .为演示方法的有效性 ,给出几个包括常见经典问题的解答 .

利用变厚度单元进行平面连续体的拓扑优化

提出了用变厚度矩形有限单元求解变厚度平面连续体拓扑优化问题的方法 .根据计算出的每一节点处的应力 ,利用满应力设计方法的应力比公式 ,改变板在节点处的厚度 ,删除厚度过小处的单元 ,重新形成结构拓扑和刚度矩阵 .按以上过程反复迭代 ,实现拓扑优化 .这种方法使得各单元间的厚度连续变化 ,在未增加单元及节点数量的情况下 ,提高了计算精度 ,减少了迭代次数 .迭代过程中 ,矩形单元可退化为常应变三角元 ,使结果的边界过渡更为光顺 .文中推导了变厚度矩形有限单元的单元刚度矩阵 .

横向力作用下的悬臂桁架结构拓扑优化

研究了应力约束下最小重量悬臂梁桁架结构的拓扑优化设计。根据Michell理论,首先用解析方法和有限元方法建立满应力类桁架连续体结构。然后选择其中部分杆件形成离散桁架作为近最优结构,并建立桁架的拓扑优化解析表达式。采用解析方法证明最优拓扑结构的腹杆中间结点在节长的四分之一位置。最后采用解析和数值方法对自由端受集中力和侧边受均布力作用的桁架进一步拓扑优化,确定了桁架的节数和每节的长度,最后得到拓扑优化桁架结构。得到的拓扑优化桁架比工程上普遍采用的45°腹杆桁架的体积少20%以上。

有限元方法形成三维Michell桁架

提出了形成三维Michell桁架的有限元方法· 采用正交异性纤维增强复合材料模型模拟Michell桁架· 纤维在节点处的密度和方向作为基本设计变量· 根据有限元分析得到节点位置的应力和应变· 采用迭代方法,将纤维方向调整到主应力方向;根据纤维方向的应变改变纤维密度.

结构拓扑优化的一些基本概念和研究方法

介绍了结构拓扑优化研究领域的一些基本概念和主要问题。分析了拓扑优化结构的类桁架性质以及离散化性质,给出了几个作为标准算例的典型解析解答。简述了各种结构拓扑优化数值方法的优化策略和特点。解释了连续体结构拓扑优化数值方法中普遍存在的单元依赖性、奇异性、棋盘格等数值计算不稳定问题现象。介绍了准则法、序列规划方法和启发式算法等各种数学优化求解方法的基本原理。使初学者初步建立结构拓扑优化相关基本概念。

长悬臂桁架受横向集中力的拓扑优化

用解析方法推导拓扑优化最小重量长悬臂桁架.桁架在应力约束下,自由端受横向集中力作用,桁架宽度为常数,它的节长、结点坐标、腹杆和弦杆的角度,以及所有杆的横截面尺寸均为设计变量.分析结果表明,拓扑优化桁架中的各节腹杆的位置和横截面面积相同,中间结点位于每节1/4位置.当结构长度趋于无限长时,腹杆趋于30°,60°,相对45°桁架的体积差别不大,与类桁架连续体的体积差别也很小.

形成不同拉压允许应力Michell桁架的有限元方法

提出了形成具有不同拉压允许应力材料的Michell桁架的有限元方法。采用正交异性材料模型,以结点位置杆件的密度和方向作为设计变量,由结点位置的值插值得到有限单元内部的材料性质,材料在设计域内连续分布,这样避免了单元之间材料性质的突变,因此从根本上避免了单元铰接、棋盘格现象以及单元依赖性等数值计算不稳定性问题。提出了一种基于优化准则法的迭代算法,用以形成不同拉压允许应力材料的Michell桁架。由有限元分析得到结点位置处的主应力方向作为杆件方向,根据主应力方向的应变和材料拉压允许应力调整杆件密度。最后由结点位置的杆件方向形成Michell桁架中连续分布杆件。

结构的优化设计分析——大学生结构设计竞赛评述

简单叙述了与大学生结构设计竞赛相关的结构优化的基本知识,对一个大学生结构设计竞赛优胜作品进行了概念分析和简单力学计算。

向心力解释自行车不倒的原因

题目匀速直线骑行自行车,当自行车侧向倾斜时,分析人和车从倾斜状态恢复竖直状态的动力学过程及其恢复过程主要受哪些因素影响。这个问题更通俗的说法就是"骑行的自行车为什么可以不倒?"解答自行车曾经作为我们的主要交通工具,我们大家基本都会骑行。但是,许多人对自行车的一些基本原理却不十分清楚,感觉不好理解。

异形截面钢筋混凝土柱正截面承载力简化计算

提出了T ,L ,┼形双向偏心受压柱正截面承载力的简化计算公式。这些简化公式所描述的N -Mx-My三维相关曲面不但精度高 ,而且光滑、连续 ,具有外凸性 ,简单实用 ,克服了异形柱正截面承截力精确计算耗时太多的缺点 ,为异形柱的工程应用奠定了基础。此法已装入作者开发的混凝土结构设计配筋程序中 ,经十几家设计院几十个工程计算 ,与其它程序相比 。

酵母表达的HIV-1中国株CN54 Gag蛋白的免疫原性研究

目的 评价毕赤酵母表达的HIV 1中国株CN5 4Gag蛋白在Balb c小鼠诱导体液和细胞免疫的能力。方法 利用重组Gag蛋白单独及与重组DNA或痘苗联合免疫Balb c小鼠 ,检测小鼠产生的特异性结合抗体和IgG1 IgG2a ,同时检测T淋巴细胞增殖反应和CTL反应。结果 3个蛋白单独免疫组均能诱导小鼠产生抗体和T淋巴细胞增殖反应 ,其中不加佐剂的免疫组诱导免疫反应低于其它两组。但 3组的CTL杀伤活性均不明显。重组蛋白和重组DNA及痘苗联合免疫均诱导产生了较好的体液和细胞免疫反应 ,而且重组痘苗初始免疫 蛋白加强免疫组还诱导产生了较强的CTL反应。结论 酵母表达的HIV 1Gag蛋白具有良好的免疫原性 ,在与重组DNA和痘苗疫苗联合使用时具有协同作用 ,能刺激动物产生更强的HIV 1特异性体液和细胞免疫反应。本研究为构建HIV 1蛋白疫苗和探讨各类疫苗的联合免疫方式提供了有价值的参考数据。

材料力学基本实验中应变片粘贴误差分析

根据任意方向的应变公式,分析了材料力学基本实验中应变片粘贴方向、位置误差对测量结果的影响。

运用响应面法的工程废土综合改性优化

基于响应面法中的Box-Behnken试验设计方法,在考虑因素间交互作用的基础上对工程废土进行综合改性优化研究.构建成型压力、混合料含水率、水泥掺量及细石掺量等因素与改性后工程废土表观密度、抗压强度、导热系数和软化系数等指标间的响应面,探索各因素对响应指标的影响规律.通过回归模型修正、试验验证获取适用于工程废土综合改性优化指标响应值预测的回归模型方程.结果表明:考虑工艺成本,工程废土在进行综合改性优化时,成型压力、混合料含水率、水泥掺量和细石掺量的最优取值范围分别为15~25 MPa,10.5%~12.5%,8%~12%和3%~6%;各影响因素对改性后工程废土的表观密度、抗压强度、导热系数和软化系数等指标的影响显著程度均不相同,且存在交互作用;修正后的改性工程废土指标响应值回归模型经试验验证,最大偏差值为6.07%,适用于工程废土改性方案的优化和各指标响应值的预测.