蜂窝夹层结构夹芯层的近似设计方法

为了得到合理的能满足不同性能要求的蜂窝夹层结构夹芯层构型,提出一种夹芯层的近似设计方法,通过建立多约束拓扑优化模型,在综合考虑可制造性原则的前提下,对不同体分比下的拓扑优化结果进行近似设计,得到蜂窝夹层结构夹芯层的基本胞元构型,并运用有限元方法对所设计的胞元构型进行性能分析,以进一步验证、修改和完善。最后以电动车底盘甲板为对象,运用Abaqus,实现其蜂窝夹层结构夹芯层的近似设计过程和性能分析,结果表明,在整体重量大幅度减轻的同时,刚度和强度性能也得到了较好的满足。     

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。     

负泊松比基元蜂窝结构研究

以传统凹角六边形负泊松比结构为主要参考对象,通过拓扑优化得到较为完整的负泊松比基元优化构型,并基于该构型建立了6种基元几何模型.探讨了不同蜂窝排列方式下的蜂窝结构性能差异,选取合适的排列方式对6种基元建立的蜂窝结构进行了冲击仿真研究.以吸能量、比吸能、峰值碰撞力及结构等效泊松比为评价指标,对比分析了不同基元蜂窝结构的结构性能,筛选出综合性能最优的基元结构.选取汽车前端结构,将传统凹角六边形结构及最优基元结构进行三维排列组合填充入吸能盒内,进行了汽车前端碰撞应用对比.结果表明基于拓扑优化的各基元结构在吸能效果及承载能力上皆高于传统凹角六边形结构,选取的最优基元结构在汽车前端碰撞应用中具有更好的吸能效果及负泊松比特性,其压溃距离大大降低.     

类方形蜂窝夹芯胞元尺寸的等效力学性能与优化

为了提升类方形蜂窝等效力学性能，在推导了其尺寸参数与等效力学性能的函数后，将尺寸参数作为设计变量、等效力学性能为优化目标，建立了类方形蜂窝夹芯胞元优化数学模型，采用了多目标遗传算法进行优化设计。给出胞元尺寸单参数响应及多尺寸协同作用的响应分析并从多目标优化代表性解中选取到最优解。优化结果得到：当夹芯胞元尺寸参数l/t取114.3899、l/h取0.9598时，等效密度增加59.52%,y方向等效弹性模量减小了67.37%，但x方向等效弹性模量增大了109.77%，等效剪切模量增加了421.94%，类方形蜂窝夹芯的等效力学性能显著提升。研究结果对类方形蜂窝夹层结构的优化设计提供一定的依据和参考。     

基于拓扑优化的非均匀蜂窝结构设计与建模

蜂窝填充是实现结构轻量化的重要手段。针对均匀蜂窝结构未考虑最优传力结构布局的缺点,提出了一种基于拓扑优化的非均匀蜂窝结构建模方法。对受力结构进行拓扑优化,将优化密度结果映射为蜂窝胞元的相对密度分布矩阵,通过用户自定义特征以及参考基准的循环定义提高建模的自动化程度,实现非均匀蜂窝结构的快速建模。仿真结果表明,非均匀蜂窝结构力学性能更优,验证了该方法的有效性。     

精密离心机负载盘的拓扑构型设计

首先提出了CTK-200g型精密仿真离心机负载盘的初始结构,采用模糊归一法优化设计理论建立了拓扑构型的优化数学模型,并且借助有限元分析和仿真软件Optistruct相结合的方法,对负载盘进行了结构拓扑构型设计,最终得到了清晰的拓扑结构.研究内容对提高系统精度、降低额定功率和提高电磁兼容性能等具有重要意义,并为负载盘的进一步结构参数优化设计提供了明确的指导方向.     

轻质高强类蜂窝夹层结构力学性能分析及优化

创新构形类蜂窝夹层结构相比于传统六边形蜂窝夹层结构,具有更好的力学性能.本文以类蜂窝夹层结构的面板层厚度tf、夹芯层厚度c及胶粘剂层厚度ta为优化参数,采用多目标遗传算法对类蜂窝夹层结构各项力学性能进行优化设计.分析了各厚度参数对夹层结构的力学性能的影响情况,同时探讨了参数协同作用下,各层厚度对力学性能的敏感程度,并根据实际工程应用情况对优化解进行折中选择.研究发现:与优化前的初始值比较,优化后的类蜂窝夹层板在x轴向等效弹性模量增长了8.17％,z轴向等效弹性模量增长了63.08％,xz面内等效剪切模量增长了19.82％,xy面内等效剪切模量减小了26.11％,弯曲刚度增长了45.31％,扭转刚度增大了69.83％,总重量减小了8.26％,较好地改善类蜂窝夹层结构的各项力学性能.该研究为夹层板结构优化设计提供了一定的参考依据,具有重要的创新意义和实用价值.     

SLM制备的Ti6Al4V轻质点阵结构多目标结构优化设计研究

体心立方(Body-centered cubic,BCC)点阵结构作为目前被广泛关注的点阵材料构型,其拓扑类型简单、SLM(Selective laser melting,SLM)成型可靠性好、压缩失效形式单一,但存在着承载能力相对较差的缺点。为探寻兼具轻质与高强性能的点阵构型,首先解除BCC点阵单胞各向尺寸相同的约束,提出体心四方(Body-centered tetragonal,BCT)点阵结构一般模型。然后,以BCT单胞构型尺寸为设计变量,以点阵材料尺寸与成型工艺为约束条件,以相对密度、初始刚度、塑性破坏强度为多目标评价函数,建立BCT点阵结构构型尺寸的多目标优化数学模型,采用理想点法求解得到BCT点阵单胞综合最优构型尺寸,并与BCC参照结构进行实例仿真对比分析,论证BCT优化结构相比BCC参照结构在性能上的优势。最后,采用Ti6Al4V材料通过SLM方法制备BCT优化结构与BCC参照结构的实验样件,并进行准静态单向压缩性能实验,验证理论分析结果的正确性,为轻质点阵结构材料的设计与研究提供了理论参考。     

兼具吸能和承载特性的梯度结构宏细观跨尺度拓扑优化设计

理想的碰撞吸能结构在吸收碰撞能量的同时应具备一定的承载能力,更好地保护人员及设备安全,而现有方法一般仅从宏观或细观单一角度进行碰撞吸能结构设计,不能很好地兼顾吸能和承载需求。构型呈梯度变化的梯度结构具有很好的碰撞吸能特性,故本文利用宏细观一体化设计思想,从宏观结构和单胞构型的两个方面出发,以结构刚度表征承载特性,负泊松比表征吸能特性,提出了兼具吸能和承载特性的梯度结构宏细观跨尺度拓扑优化方法。在宏观尺度,基于功能梯度及聚类分析思想,研究出具有刚度梯度特性的结构宏观区域划分优化方法;在细观尺度,基于能量均匀化理论建立了以结构刚度和负泊松比为目标函数的多目标拓扑优化模型。对优化得到的结构吸能与承载特性进行测试与分析,结果验证了所提出的方法能够有效地应用于防撞结构设计。     

具有极限弹性性能的多相材料微结构拓扑优化设计

传统材料结构设计以单材料结构为主,可以得到具有特殊性能的微观结构。而多相材料结构能够充分发挥各相材料的优良性能,成为结构设计领域的研究热点。为了实现多相材料周期性微结构拓扑优化设计,以结构的等效弹性性能为优化目标,以材料体积和力学性能为约束条件,结合能量均匀化方法,建立了基于有序SIMP插值法的多材料拓扑优化数学模型,通过优化算法对其进行求解,得到了边界清晰的多相材料微结构拓扑构型。然后通过数值算例对得到的结构进行对比分析,验证了该模型的正确性与该方法的有效性。