薄板结构的加强筋自适应成长设计法

在对自然界分枝系统形态的最优性及其成长机理的研究基础上,以薄板结构的加强筋分布设计为例,提出了一种自适应成长设计法。在给定的载荷及支撑条件下,薄板结构的加强筋从事先选定的一些“种子”出发,在有限元分析的基础上,遵循自适应成长规律,沿着能使结构整体刚度最大的方向成长。对一些典型的薄板结构进行了设计,设计结果表明所提出的方法比现有的设计方法简单而高效。

基于自适应成长原理的板壳结构加强筋分布设计技术

将自然界分枝系统形态自适应成长机理应用于板壳结构加强筋分布设计中,深入讨论板壳结构加强筋分布设计技术.应用ANSYS APDL二次开发语言进行编程,使提出的设计原理方便地应用于实际工程设计.整个应用程序包含前处理、优化迭代及后处理三个模块.前处理模块建立设计对象的基结构,基结构由基本板壳结构和初始加强筋组成.基本板壳结构可采用ANSYS中的建模模块创建或直接导入由其他CAE软件建立的几何模型,而初始加强筋由基本板壳结构上的节点连接而成的梁单元构成.优化迭代模块包含"选种"、灵敏度分析、分歧/成长/退化等功能.采用变量扰动法,基于ANSYS有限元分析模块计算活动加强筋的近似灵敏度.根据自然界分枝系统形态形成机理进行加强筋的分歧/成长/退化.最后由后处理模块输出设计结果.以若干典型的设计案例说明所提出方法的有效性,并通过与ANSYS的结构拓扑优化设计模块的设计结果比较说明了所提出方法的可行性.

基于自适应成长法的周期性加筋结构拓扑优化设计方法

将自适应成长法应用到周期性加筋结构的拓扑优化设计中,以结构的应变能最小为目标,以加强筋截面积为设计变量,并构建拓扑优化设计模型。为保证优化结构可得到周期性最优拓扑形式,在优化数学模型中加入了周期性约束,并引入敏度过滤函数解决数值不稳定等问题。典型工程结构设计案例表明,提出的方法在周期性加筋结构设计中可得到形态清晰的筋条布局,且设计效率高、适用性广。同时利用所提方法模拟荷叶叶脉生长,获得了与自然界荷叶叶脉相似的布局形态,表明自然界荷叶叶脉分布能使荷叶在承受雨雪等自然载荷作用下的整体刚度最大。

基于自适应成长法的大型电除尘器烟箱优化设计方法

为使大型电除尘器烟箱结构的力学性能好且质量小,根据烟箱的结构特点,提出了综合应用结构拓扑优化和尺寸优化进行优化设计的方法。首先针对烟箱结构的加强筋分布,采用自适应成长技术,使加强筋如同植物根系一样,沿着使其结构刚度最大的方向成长;然后针对得到的具有最优分布加强筋的烟箱结构,采用尺寸优化方法,以质量最小为目标,对其进行优化设计。设计结果表明,所提出的方法对电除尘器烟箱的优化设计有效,优化设计后的烟箱结构与传统烟箱结构相比,在质量减小7.00%的条件下,结构整体刚度提高了7.53%。

基于自适应成长法的散热通道构建技术

应用自然界生物分枝网形态成长机理的自适应成长法对体-点问题进行求解,以每一单元的材料热导率作为设计变量,以设计区域的最高温度最低为设计目标,根据设计领域的温度梯度,逐步将高导热材料填充到设计区域,实现自适应成长。以若干典型体-点问题为算例,通过与现有设计方法的结果进行比较,说明提出的自适应成长技术可有效地应用于散热通道的构建。

传热结构自适应成长法的敏度过滤技术研究

基于自然界分支系统机理的自适应成长法能获得结构简单且传热效果好的设计结果,该方法在复杂热边界条件下得到的传热通道布局中存在一定数量的平行通道。针对这一问题,提出了一种两层顺序优化的生长新策略。第一层优化采用加入敏度过滤的自适应成长法,优化迭代所得的结果作为第二层优化的初始解;第二层优化采用无过滤的成长法继续生长直至结果收敛。研究结果表明,该方法得到的设计结果不仅拓扑形态简单清晰,平行通道大幅减少,且热性能进一步改善。此外,加入考虑密度梯度信息的敏度过滤法获得的设计结果最好。

基于MMA算法的桁架结构自适应成长技术

现有自适应成长技术根据数学规划理论中的库恩塔克条件推导迭代公式,对以应变能为目标,体积为约束的板壳结构加强筋分布优化问题,设计效率高且结果好。但对不同类型的优化问题需要重新推导迭代公式,通用性差,且难以推广到多约束问题。针对现有技术的不足,采用移动渐近线算法(The method of moving asymptotes,MMA)迭代更新设计变量,将自适应成长技术推广应用于桁架结构拓扑优化设计中。讨论了单约束和多约束的典型桁架结构设计问题,并对多载荷工况进行了研究。算例结果表明,所提方法可以得到清晰的杆件分布和具体尺寸信息,设计效率高,适用性好,便于实际工程加工,具有较好的应用前景。

基于改进自适应成长法的薄壁结构频率优化设计

自适应成长法是一种基于自然界分支系统形成机制的薄壁结构加筋拓扑优化设计方法。针对现有自适应成长法在结构自振频率拓扑优化设计中存在局部模态的问题,提出一种多项式材料插值模型;为了提高算法的收敛性,将基于仿生学的基因遗传特性引入灵敏度信息处理中,并运用敏度过滤技术解决数值不稳定问题。针对简支和固支的典型板壳结构算例进行加筋优化,设计结果表明,提出的方法可得到形态清晰的加强筋布局;进一步分析了简支约束方式和固支约束方式在结构自振频率拓扑优化问题中的影响,结果表明,虽然2种约束方式下结构的一阶振型相同,但由于约束点自由度的差异,得到的加强筋布局并不相同。分析2种约束方式下优化设计结果的自振性能,发现在固支约束方式下得到的加筋结构的第一阶频率比简支约束方式下的加筋结构高7%以上,因此在实际工程应用中,当结构边界约束条件不明确的情况下,可选择固支作为设计模型的约束方式。

传热结构自适应拓扑优化准则法研究

合理的散热通道分布是提高小空间大热流密度传热结构散热性能最有效的手段。针对现有传热结构拓扑优化设计结果形态过于复杂,存在棋盘格、灰度单元等数值不稳定现象,提出一种基于基结构的散热通道分布的自适应拓扑优化方法。研究了适用于传热结构拓扑优化问题的基结构构建技术,建立满足库恩-塔克(Kuhn-Tucker,KKT)最优准则条件的迭代公式;以散热弱度最小为优化目标,以杆单元截面积为设计变量,对典型的二维和三维设计问题进行散热通道分布设计,并将设计结果与COMSOL软件优化结果进行对比。研究结果表明,提出的传热结构自适应拓扑优化方法产生的散热通道形态简单清晰,能满足散热性能,且优化过程收敛速度快,克服了现有优化方法产生的数值不稳定问题。

板壳结构加强筋优化设计方法

提出一种板壳结构加强筋设计方法,包括加强筋的分布设计和截面尺寸设计。通过研究植物根系成长机理,提出一种改进的自适应成长法用于加强筋的分布设计。相对于目前常用的以材料密度分布表示加强筋分布的拓扑优化方法,改进的自适应成长法以真实的加强筋分布表示,设计结果不需要复杂的后处理过程。相对于改进前的自适应成长法,改进后的自适应成长法对加强筋高度进行限制,更符合工程上的要求;通过在加强筋成长过程中引入稳定指标及退化指标,大大提高了计算效率,算法更符合植物根系的成长机理。通过典型算例的应用说明提出方法的有效性。在自适应成长法得到的加强筋分布的基础上,进一步优化加强筋的截面尺寸,算例表明,通过加强筋截面尺寸优化,结构应变能降低4%,结构减重6%。