工件台方镜轻量化结构的拓扑优化设计

为满足工件台方镜的高模态及高轻量化的要求,在设计过程中充分考虑其材料的选择,并重点引入拓扑优化方法。依据变密度法建立SIMP模型,在方镜的特定约束工况下,以结构第1阶模态为设计约束,最小体积为设计目标进行迭代,得到了较好的轻量化结构。并对拓扑优化后的结构与常规结构进行了分析对比,结果表明:拓扑优化的结构第1阶模态为710.5 Hz,提高+4.5%。同时,在轻量化率上提高了+8.2%。因此,拓扑优化的结果要优于常规结构方式,体现出了拓扑优化方法在工件台结构设计过程中具有重要的实际应用价值。     

大口径望远镜次镜系统的拓扑优化设计

针对地基大口径望远镜次镜系统加工精度和装调精度的要求，提出了基于拓扑优化的次镜系统结构设计方法。该方法利用变密度的拓扑优化思想，将次镜系统的Spider结构和Serrurier桁架的设计域限定为基结构，以期望方向的变形最小，通过材料的去留决定结构的最终形状和尺寸。首先，以相对密度为设计变量，Spider结构以1阶振型和重力方向变形为设计约束，桁架以X向和Y向变形为设计约束，建立各结构的拓扑优化模型；然后，以拓扑优化所得构型为基础，利用Workbench进行优化迭代；最后，设置优化参数，采用有限元法进行动静刚度分析和优化。结果显示4 m望远镜次镜系统的1阶谐振为22.7 Hz，光轴指向天顶和水平时重力方向偏移分别为-0.173 mm和-0.195 mm，并且Spider结构和Serrurier桁架的轻量化率超过30%。该结果验证了文中方法的有效性。     

基于拓扑优化的4 m 望远镜底座结构设计

为满足4 m望远镜底座结构高刚度和轻量化的需求,研究了考虑结构变形和模态约束下的拓扑优化问题。首先,基于连续体结构拓扑优化的思想,以单元虚拟密度为设计变量,以位移变形和一阶频率及质量为优化约束,应变能最小为优化目标,建立了底座设计的拓扑优化数学模型,并详细推导目标函数及约束条件的灵敏度;然后,对底座结构应用拓扑优化设计,并以所得的理想概念构型为基础,进行底座结构的详细设计;最后,采用有限元法对优化模型进行静刚度和动刚度的分析与校核。设计结果表明,底座质量从27.66 t减至22.15 t;最大变形量由0.0377 mm减小为0.014 mm;一阶频率从217.1 Hz提高至247.45 Hz;在减小质量的同时,有效提高了底座结构的静刚度和动刚度,验证了拓扑优化方法的有效性。该方法将对4 m望远镜跟踪架的其他部件设计提供帮助。     

基于HyperWorks的汽车挡泥板结构拓扑优化设计

挡泥板作为汽车覆盖件的一种,其刚性要求不可忽视。基于有限元模态分析方法,得到了挡泥板的前六阶固有频率及模态振型。依据挡泥板的刚度设计要求,以第一阶固有频率最大化为目标函数,体积分数（质量）为约束条件,建立了结构优化的数学模型;利用HyperWorks对其进行了结构拓扑优化求解;根据优化结果在初始结构上布置了加强肋。挡泥板的第一阶固有频率从优化前的43.6Hz变为84.9Hz,提高了94.7%,体现了拓扑优化方法在汽车零件初始设计中具有重要的理论意义和实际应用价值。     

基于声功率灵敏度的结构拓扑优化设计

针对工程中普遍存在的薄板结构振动噪声问题,提出了一种对加强筋位置分布进行拓扑优化的控制方法。通过有限元动力学分析结构的速度响应,代入由声辐射模态推导的声功率求解方程中得到声功率。建立以加强筋位置作为设计变量的拓扑优化数学模型,寻找声功率最小的加筋分布。算法中以声辐射模态灵敏度为指导,确定拓扑优化加筋的起始点和搜索过程。通过仿真计算结果表明,优化得到的加筋布局能有效地将声功率降低7.38dB,并讨论了收敛准则和不同频率对加筋布局的影响,在第一阶固有频率内都可用此种算法优化。     

机载红外系统主反射镜的拓扑优化设计

反射镜轻量化设计一直是光机结构设计领域的一项挑战性课题。针对某机载红外光学系统的主反射镜,提出了一种基于 SIMP 拓扑优化方法的反射镜轻量化设计流程,建立了反射镜拓扑优化的数学模型,以最小化镜体自重和抛光载荷作用下的镜面矢高位移 RMS 值为优化目标,同时考虑对称约束和拔模约束,对反射镜进行了拓扑优化设计。根据拓扑优化结果设计了新的反射镜轻量化结构,并将其与传统结构进行了对比。采用拓扑优化方法设计的反射镜具有更高的轻量化率,同时能够获得较高的面形精度。     

大型空间望远镜次镜背板的优化设计北大核心CSCD

针对2 m量级大型离轴三反空间相机,采用并联机构作为次镜的调整机构。并且将调整机构动平台直接作为次镜支撑背板使用,增加了结构刚度,同时也使整机结构更加紧凑。因此,背板是次镜组件的核心零件。背板的材料采用具有良好尺寸稳定性、比刚度高的60 SiC/Al。由于背板承上启下的重要性,决定了背板对自身重量及刚度有很高的要求,因此采用以刚度为目标对其进行拓扑优化设计,并且以背板质量和基频作为目标对背板面板与加强筋的尺寸进行多目标尺寸优化;最终优化后的背板质量为1.42 kg,基频达到954 Hz。最后对次镜组件进行静力学分析及动力学分析,结果表明:重力与4℃温升耦合工况下重力方向位移与面形RMS值最大:最大位移为9.651μm,面形RMS值为7.535 nm;次镜组件约束状态下的一阶固有频率为115 Hz,满足大型空间望远镜在轨成像要求。     

紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜拓扑优化设计

为了研究某紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜工作在运动状态的轻量化问题,提出了以扫描镜动态面形为设计约束的拓扑优化方法.对设计约束进行了有效的简化,降低了计算的复杂程度.使用拓扑优化方法得到了在转动条件下扫描镜的最优轻量化形式.分析结果表明,拓扑优化后的扫描镜轻量化率为47.3%,动态面形PV值和RMS值分别为19.36 nm和5.65 nm,比优化前分别提高了18.45%和17.40%,同时,扫描镜的一阶频率提高了113.8 Hz.分析结果说明了以动态面形为设计约束进行扫描镜拓扑优化的合理性.     

红外光电系统机械固定件的拓扑优化设计

红外光电系统机械件复杂度高,在满足稳定性要求的前提下,对结构的轻量化有着更急迫的需求。本文采用ANSYS拓扑优化方法对某红外光电系统进行拓扑优化设计,并以电源固定件为例,以结构柔度最小为设计目标,单元密度为设计变量,实现30%的体积约束,并对拓扑优化的结果进行模型重构。与初始经验设计方案对比,优化重构后的固定件减重37.8%,且结构的刚度和强度均得到了提升。进而表明,拓扑优化方法可以为红外光电系统结构的轻量化设计提供有利的借鉴。     

机载电子单元机箱结构动力学特性分析与拓扑优化设计

优良的结构形式可以减轻机载电子设备在飞机飞行过程中受到的振动,有效保护设备内部精密的电子元器件,从而保证机载设备长期稳定工作.强度高、质量轻的电子单元机箱正在成为机载电子设备设计的趋势,组合式机箱以成本低、变形小、尺寸稳定性好、设计空间丰富等诸多特征在机载产品中应用广泛.文中以某机载组合式机箱为研究对象,运用有限元仿真...     

多目标拓扑优化设计在纳米定位平台中的应用

纳米定位平台在微型机械和精密仪器的设计和制造领域起着重要作用.该文将拓扑优化引入到压电陶瓷驱动的一维纳米定位平台设计中,并利用多目标设计方法对平台的运动和结构需求进行了优化,采用楔形预紧结构对压电陶瓷进行紧密预紧.经有限元仿真和实验验证,该实验系统输出位移达10 μm,定位精度5 nm,耦合误差小于1%.实验证明,该方法为纳米定位平台的设计和制造提供了一种新颖、灵活、有效的方法.     

基于拓扑优化的微带天线奇异方向图设计

拓扑优化方法避免了结构的参数化扫描,直接优化材料排布,用于无源微波器件设计,可极大程度拓展设计解域。文中基于拓扑优化方法研究了微带天线的奇异辐射方向图设计。首先分析了具有奇异辐射方向图的伴随敏感度,其次构建了基于过渡边界条件的二维金属优化模型,再次提出了针对奇异辐射的多种目标场函数,分别实现了高增益定向指向波束、等幅双波束和任意方向线极化波束等奇异方向图。为验证算法有效性和准确性,最后加工并测试了具有高增益指向偏转方向图的微带天线,测试结果与拓扑优化结果吻合较好。此方法特别适合具有复杂目标的无源电磁器件设计。     

一体化铝合金反射镜的拓扑优化设计与分析

针对口径为300 mm的一体化铝合金反射镜进行了拓扑优化设计,在反射镜光轴方向的自重载荷下,以整体柔度作为约束,反射镜最小体积作为目标进行迭代优化,得到了拓扑优化结果模型,根据其特征建立了实体模型并进行了参数优化,最终得到了总质量为2.08 kg、面形均方根RMS(Root Mean Square)为5.9 nm、轻量...     

A versatile Topology Optimization Strategy for Devising Low-Dimensional Architectures with Boosted Photocatalytic Activity

Constructing low-dimensional heterojunctions via hybridizing 0D, 1D, and 2D building blocks is an effective means to devise higher-order architectures with excellent photocatalytic reaction activities. Developing a versatile topology optimization strategy paves the way for guiding the rational structural design of a wide range of heterostructures. Herein, taking the ZnO-CdS hybrids with mixed topology structures (including 0D-1D, 0D-0D, and 1D-1D composites) as a model system, the work unveils a ubiquitous, yet unrecognized, topology dependence of photocatalytic performances and the 0D-1D topology combination coupled with an annealing treatment gives rise to an optimal photocatalytic redox activity, far exceeding those of 0D-0D and 1D-1D counterparts. The 0D-1D topology integrates the structural merits of both constituent units, where the 1D unit acts as a rigid matrix to allow the uniform dispersity of 0D units for exposing abundant active sites, and a mobile 0D unit contributes to the interfacial reconstruction for forming charge-migration-expediated heterointerfaces via thermal-induced grain rotations. Such thermal-annealing-coupled topology optimization methodology shows applicability for a large spectrum of low-dimensional heterojunctions, offering a prototype for the precise structural design of low-dimensional heterojunctions with enhanced catalytic performance.     

基于HBT干涉定位的八元L型阵列拓扑优化

Hanbury Brown-Twiss (HBT)干涉在光学测量中具有超灵敏的性能,声波与光波具有相同特性,该原理在声学定位中亦有较好的定位性能。针对定位阵列拓扑结构中存在冗余阵元,该文对基于声场HBT干涉定位法的传感阵列拓扑结构进行了研究,优化阵元个数的同时不影响其定位精度。通过对八元L型阵列拓扑结构进行编码,并对所有可能出现的拓扑结构进行定位仿真,得到4组四元拓扑结构的定位误差小于八元L型阵列的定位误差。最后,通过实验对优化所得的四元阵列拓扑结构进行验证。实验结果表明,四元拓扑结构00101011的定位性能最好,误差为1.26%,与八元L型阵列定位效果一致,该实验验证了该文阵列拓扑优化的可行性和有效性。     

集成电路设计EDA实验课程的教学优化

根据教学经验,阐述了对《集成电路设计EDA实验》课程教学的优化。这些优化包括课程开设时间、先前理论课程重点内容的复习、基于工业界主流EDA工具的实验平台的搭建和教学实例的选择。课程优化后的教学充分调动了学生学习的积极性,增强了学生的动手能力,使学生从整体上掌握了集成电路设计的流程,并与工业界接轨,提高了就业竞争力,达到了预期效果。     

大口径主反射镜的轻量化方案设计

随着空间探测技术的不断发展,对光学系统中大口径主镜的需求越来越迫切。本文针对大口径主镜所面临的技术难题,通过有限元的方法研究了不同减轻方式对其结构稳定性的影响,并从中选出了最优方案,为今后的实际工程应用打下了坚实的基础。     

基于有限元模型的超声切割刀优化设计

超声切割刀在材料加工领域中有广泛的应用前景,可用于切割各种复合材料等硬脆材料。该文利用ANSYS有限元分析软件建立超声切割刀的有限元模型,对其进行模态分析和谐响应分析。仿真结果显示,超声切割刀在40kHz频率附近存在轴向纵振模态,其振动节点位于安装环和压电陶瓷中心线上,符合设计要求。基于有限元模型研制超声波切割刀,通过阻抗分析仪与激光多谱勒测振仪对换能器的固有频率与响应进行测试,获得的超声切割刀阻抗曲线平滑,谐振频率为40.261kHz,设计误差为0.83%,最大振幅达到14.52μm,结果与有限元计算相互吻合。