基于SIMP方法的某型雷达支架结构拓扑优化设计

利用Hyper Works/Opti Struct软件,以最大飞行加速度工况下的某型雷达支架为研究对象,采用SIMP方法(变密度法)建立拓扑优化数学模型,得到用于指导结构优化的密度云图,并重新建模,进行强度、刚度复核以验证优化方案的可行性。经过验证,支架结构质量减轻25%,实现了雷达支架的轻量化设计。

基于Heaviside过滤和可行域调整的SIMP方法拓扑优化设计

针对体积约束下结构柔顺度最小化拓扑优化问题,基于Heaviside过滤和可行域调整措施,提出了一种改进的SIMP方法。该方法采用体积守恒的Heaviside密度过滤和可行域调整措施,能获得0/1分布清晰的结构拓扑且保证了优化过程的稳健性。通过使用不同的初始拓扑来优化解,可以获得比现有的基于SIMP的优化方法更好的多个局部优化拓扑。通过算例表明,该方法比现有的SIMP方法具有更好的稳健性,并且可以获得更优的结构拓扑。

基于SIMP理论的鞍座支架拓扑优化设计

以某型车辆鞍座支架为研究对象,针对其结构偏重的问题,采用拓扑优化的方法使其结构轻量化。采用基于SIMP的材料插值方法对鞍座支架进行静态强度下拓扑优化分析。然后基于拓扑优化后的模型对原有鞍座支架进行重新设计,采用有限元分析验证拓扑优化结果。结果表明,优化后的鞍座支架质量减轻了26.3%,优化后的结构强度和刚度都符合设计要求。

四足机器人腿部结构拓扑优化设计及力学性能分析

基于变密度方法中的SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)模型,提出一种多复合材料3D打印制造的拓扑优化方法对四足机器人腿部结构进行优化设计。采用体积约束下最小应力的优化方式,同时引入复合材料的本构矩阵,使得优化结果更加合理。针对四足机器人常见工况进行静力学分析,并对最大位移下的载荷情况进行拓扑优化设计。为了验证优化后腿部结构的强度,分别制备拓扑增强和轮廓增强腿部结构并进行试验分析。试验结果表明,拓扑增强结构最大位移比轮廓增强结构在外摆工况下降低了53.57%。拓扑增强结构承载比在0°和30°外摆工况下比轮廓增强结构分别提升了17.98%和24.57%。通过对四足机器人腿部结构优化前后的试验对比可知,经过拓扑优化设计,四足机器人腿部结构力学性能得到提升,优化设计具有可行性。该拓扑优化方法对于提高产品力学性能,具有一定作用。

考虑嵌入移动孔洞的多相材料布局优化

工程结构设计问题中经常需要预先嵌入一个或多个固定形状的孔洞以满足某些功能性或者制造性设计要求.为了有效求解这种带有嵌入可移动孔洞的多相材料连续体结构布局优化问题,通常需要同时优化这些嵌入孔洞的位置和方向及多相材料结构的拓扑构型,以改善结构的整体性能.为此,本文采用参数化的水平集函数描述嵌入孔洞的几何形状,并将定义多相材料结构拓扑的材料密度以及描述嵌入孔洞的位置和方向的几何参数视为所考虑优化问题的设计变量.为了避免由于孔洞移动造成的重新划分网格的繁琐及改善计算效率,使用平滑化的Heaviside函数将所有嵌入孔洞映射为固定网格上的密度场.同时,提出了一种在有限元水平上调用的类SIMP材料插值格式,用于优化问题的材料参数化,进而实现多相材料结构拓扑构型和嵌入孔洞位置和方向的同步优化.这种材料插值格式便于几何变量的解析灵敏度分析,使得当前的优化问题可以用基于梯度的优化算法求解.优化算例证明所提方法可以有效地处理带有多个嵌入孔洞的多相材料结构布局优化问题.

连续纤维增强复合材料结构基频最大化设计

与传统的金属材料相比,纤维增强复合材料在强度、刚度、抗断裂等诸多方面具备更优良的性能,目前纤维增强复合材料已在汽车、航空航天等工业领域得到了广泛应用.本文提出一种求解连续纤维增强复合材料结构无阻尼自由振动下的基频最大化问题的拓扑优化方法.为了实现结构拓扑构型与纤维角度的同步优化,建立了以准许的材料用量体积分数为约束、以结构的一阶特征值为目标函数的动力学拓扑优化模型,该模型包括表征结构拓扑构型的密度设计变量和表征纤维方向的角度设计变量.详细推导了特征值目标函数关于密度设计变量和角度设计变量的解析灵敏度列式,并采用移动渐进线方法 (method of moving asymptotes, MMA)进行了优化求解;最后通过3个数值算例验证本文方法的有效性,其中包括一个以刚度最大化为目标的静力学优化算例,和两个以一阶特征值为目标的动力学优化算例.结果表明,所提方法优化迭代过程稳健,收敛快,能够在实现结构拓扑构型与纤维角度的一体化优化的同时,有效提高结构的频率.

三维线弹性连续体的结构拓扑优化设计

研究了基于水平集模型和SIMP方法的三维线弹性结构的拓扑优化方法,优化模型的目标是结构的柔度最小。引入水平集模型隐含描述具有复杂拓扑关系的三维线弹性结构的几何边界,以材料域的形状为变量进行灵敏度分析,构造水平集方程的速度函数,通过几何边界的演化获得结构的最优形状和拓扑。同时研究了基于SIMP方法的三维连续体结构的拓扑优化设计。对基于水平集模型和SIMP的拓扑优化方法的数值算例进行比较,结果表明,基于水平集的三维结构拓扑优化具有光滑的几何边界,数值算法稳定。

动车组行李架支座结构拓扑优化设计

文章基于拓扑优化的设计思想,以行李架支座刚度最大化为设计目标,考虑材料体积约束,对结构材料布局进行优化设计,采用准则法对优化问题进行求解。为了实现所设计结构的对称性和通用性,以2种不同工况下的结构加权刚度为目标函数,有限元建模和优化计算分别在软件Hypermesh和其优化模块Optistruct中进行,对最优结构的强度及模态校核证明了设计方案的可用性与有效性。

敏度分层过滤策略克服连续体拓扑优化荷载病态问题

针对工程结构中所承受载荷幅值之间相差多个数量级,使用传统拓扑优化方法所得结果中较小载荷传递路径消失的荷载病态现象,提出一种简单有效的敏度分层过滤策略.将各载荷以幅值大小进行分层,并计算各载荷对结构对应的应变能数值.在此基础上,引入比较判断系数和放大应变能影响系数,将各灵敏度以大小进行分层,对不同层次灵敏度进行不同的过滤以取得多载荷作用下最佳材料布局.本文敏度分层过滤策略是在Solid Isotropic Material with Penahiation(SIMP)框架下提出的,并使用Optimality Criteria(OC)方法进行求解.使用二维和三维算例验证了所提策略的有效性,表明该策略可以有效克服荷载病态现象,为结构设计中得到完整传力结构布局提供重要指导.