基于能量均匀化的高剪切强度周期性点阵结构拓扑优化

传统多孔结构构型型式单一、缺乏科学设计方法的指导,为了从拓扑构型角度设计抗剪切性能更优的周期性点阵结构,基于拓扑优化技术,以周期性单胞为研究对象,以其切变模量最大为目标,以结构的材料用量和力学控制方程为约束条件,利用能量均匀化方法建立基于宏观力学性能的细观点阵结构的优化模型,通过改进的优化算法求解模型,得到了一种宏观上的拓扑边界清晰的周期性点阵结构。然后根据优化结果,在考虑胞元非等壁厚和横向剪切变形影响条件下进行等效材料力学性能分析,得到剪切性能关于微结构胞元几何参数的表征,同时加工制造了优化得到的周期性点阵结构,并进行了剪切力学性能测试。从理论分析和性能试验两个方面与六边形蜂窝结构相应的切变模量进行对比,结果表明,经优化得到的周期性点阵结构切变模量有大幅提升、抗剪切性能更优越。验证了所提出方法能有效地应用于周期性点阵结构抗剪切性能的优化设计。

双尺度分级结构时域动刚度问题的并行拓扑优化

提出双尺度分级结构时域动刚度问题的并行拓扑优化方法,实现结构宏观拓扑构型和材料微观分布协同优化。利用三场密度方法实施宏观与微观结构的设计,基于能量的均匀化方法(energy-based homogenization method, EBHM)在微观结构上计算等效的宏观力学特性。针对比例阻尼系统,将HHT-α方法作为时间积分算法,求解多尺度结构的动力学有限元模型。融合先离散-后微分方法与伴随方法,在时间与空间离散的拓扑优化模型上实施敏度分析,避免了将时间作为连续变量而导致的灵敏度计算的一致性误差问题。以多尺度结构的动柔度最小化为目标,宏观与微观结构体积为约束,分别求解了正弦半波和余弦半波冲击载荷作用下多尺度结构的并行拓扑优化问题。最后,通过2种典型算例的数值结果验证了所提算法的有效性。

基于均匀化拓扑优化的轻质多孔结构等效方法

通过拓扑优化设计得到的孔洞结构,往往不规则,甚至过于复杂、难于加工、多数需要进行二次设计,为了避免二次拓扑优化求解过程复杂、效率低、耗时长,甚至出现不收敛、棋盘格、灰色单元等情况,提出一种基于均匀化拓扑优化的轻质多孔结构等效方法。该方法首先需对研究结构进行初次拓扑优化,提取拓扑优化后的关键性能参数如应变能、最大应力、最大位移等。然后依据上述提取的参数作为后续寻求结构等效的条件。基于能量均匀化方法求解出与拓扑优化后等效的微结构。将等效微结构阵列得到的周期排列结构即为轻质多孔等效结构。最后对拓扑优化结构和轻质多孔等效结构进行有限元分析对比,验证此方法的可行性。结果表明:轻质多孔等效结构与初始拓扑结构相比,其综合性能基本不变,但因轻质多孔结构的规则性使得加工难度大大降低。

基于热固耦合问题的多尺度拓扑优化设计

基于均质材料的拓扑优化逐渐难以适应现代化生产对工业产品高品质、轻量化的需求,同时很多工业设备经常面临着高温和高负载的工作环境。为了提高结构在温度载荷和机械载荷共同作用下的力学性能,本文提出了一种在稳态热源作用下的热固耦合连续体结构并行化拓扑优化方法。以结构刚度作为目标函数,材料的体分比为约束,利用能量均匀化方法预测微结构的等效属性,建立热固耦合结构并行化拓扑优化数学模型。为便于数值计算,利用直接法进行灵敏度分析,同时采用Heaviside非线性密度过滤技术抑制数值不稳定性,将OC准则算法用于求解优化问题。数值算例表明,本文方法能够有效地进行优化设计且能显著地提高结构的刚度性能和散热性能。