基于三周期极小曲面和等参单元法的骨支架建模方法研究

生物骨支架是治疗骨组织缺损的理想方法,如何构建有利于细胞黏附、繁殖、新陈代谢等的微观孔隙结构是构建生物骨支架亟待解决的问题。基于三周期极小曲面和等参单元法,研究一种适合于生物骨支架的建模方法。基于移动立方体算法,线性差值求解三周期极小曲面近似插值面,并结合拉普拉斯算子,构建三周期极小曲面单元;基于等参单元法,通过形函数坐标变换构建不规则形状孔隙曲面单元;基于模板法,局部网格加密构建不同尺度孔隙单元,并通过与实体轮廓模型布尔运算,构建出含有微观孔结构的生物骨支架实体模型。研究表明,利用三周期性极小曲面和等参单元法所构建的骨支架结构,可以实现对孔隙形状,尺度控制,为骨支架建模提供一种可行性的方法。     

基于体素和三周期极小曲面的骨支架多孔结构设计

为解决组织工程骨支架多孔结构设计问题,提出一种基于体素和三周期极小曲面的骨支架设计方法。采用隐函数表达的三周期极小曲面作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数及Log-Sigmoid函数的方法,构建不同结构的三周期极小曲面孔隙单元;采用逆向几何求交体的体素化算法,对三角网格模型进行空间单元划分,进而确定目标装配区域;再通过形函数坐标变换,将孔隙单元映射到空间单元中,从而构建空间域多孔结构;最后采用布尔运算得到具有多孔结构的支架模型。实例结果表明,所提设计方法能构建孔隙结构可控的多孔模型,从而为组织工程骨支架设计提供一种可行的方法。     

基于ANSYS Workbench的激光雷达测试支架优化设计

针对航天产品轻量化与高可靠性的设计要求,使用拓扑优化和尺寸优化技术来控制航天结构部件质量.以激光雷达测试支架为例,采用ANSYS Workbench中变密度法开展拓扑优化,获得支架结构的主传力路径;针对变密度法中灰度单元与锯齿边界问题,采用多边形曲线拟合得到初始拓扑结构.在此基础上进行有限元分析选取关键结构尺寸参数,利...     

基于拓扑优化的发动机支架设计方案对比分析

为得到发动机支架材料合理分配的拓扑结构形式,对原始的横梁结构进行了拓扑优化分析,并根据密度等值面分布图对结构进行人工处理,设计出两种发动机支架方案。通过有限元分析和强度试验,证实方案一结构所受最大应力小、受力分布均匀,更加符合设计要求。发动机支架的成功设计表明,拓扑优化是一种有效的结构概念设计方法,能够为工程设计人员提供合理的结构设计参考方案。     

基于TPMS建模方法进行仿生骨支架结构设计

为了更好地拟合出人体骨细胞生存生长的多孔曲面环境,采用基于函数的极小三周期曲面(TPMS)建模方法,来进行仿生骨支架结构的设计。采用这种方法,能够通过调整函数的相关参数,实现对仿生骨支架孔径大小以及孔隙率大小的精准控制。选取了TPMS结构中的一种P曲面结构,通过与人体真实骨组织结构单元孔径大小以及孔隙率大小进行比对,选定了P曲面结构的参数值u,并确定了仿生骨支架合理的单元尺寸,最后通过有限元仿真软件对模型进行了力学分析及评估,结果表明,设计的支架结构具有更匹配人体骨结构的力学性能,对指导构建人工骨支架结构具有重要意义。     

人工骨支架内部微结构两相流数值模拟

人工骨仿生支架内部微孔结构关系到支架能否替代自然骨,植入骨生长因子、成骨细胞等活性物质,促进骨组织的生长。利用Fluent软件,对中心为球体,边缘为圆柱体的单元微结构进行了细胞和营养液的两相流数值模拟,分析了中心球半径R及连通孔径d对系统压力、流速及细胞相体积分数的影响规律,为人工骨支架微结构的优化及仿形研究奠定了基础。结果表明中心球半径R对系统压力影响很小,较大的连通孔径d比较适合细胞的增殖与粘附;最大流速在0.011m/s-0.018m/s范围内,d恒定时,随着的R的增加,流速分布很均匀,但是值却稍微有些降低。R恒定时,随着连通孔径d增大,流速分布越均匀,速度值也越大。     

基于拓扑优化的飞机襟翼支架轻量化设计

以飞机襟翼支架为研究对象,基于最大刚度原则对飞机襟翼支架结构进行轻量化设计。选用AL2014-AREO材料,利用Inspire软件分别对不同优化目标下的不同形状控制方式进行拓扑优化计算,得到支架模型的最佳形状控制方案,将最优控制方案进行梯度拓扑优化,然后对梯度拓扑的最优结果进行几何重构和强度校核,得到最终优化模型。相对于初始模型实现了62.8%减重,且支架模型的应力、位移、安全系数都符合设计要求。该研究结果为飞机襟翼支架结构的轻量化设计提供了一种新的设计思路。     

基于单元材料属性更改的结构渐进拓扑优化方法

提出了一种基于单元材料特性更改的结构渐进拓扑优化方法,通过定义设计区域内单元的存在状态为设计变量,以结构的材料用量为约束条件,实现了线弹性结构拓扑优化设计。该方法采用承载能力很弱的各向同性实体单元(弹性模量和密度均很小)代替结构实体单元,实现单元的拓扑变化,即单元的删除是将实体单元改变为弹性模量和密度很小的单元。单元删除取决于由灵敏度分析得到的每个单元对结构性能的贡献。同时结合了灵敏度再分配技术控制棋盘格式,使各单元对结构性能的贡献或影响因子实现平滑过渡。算例表明,本文的单元材料特性更改的结构渐近拓扑优化方法与灵敏度再分配棋盘格式控制技术相结合的方法,可以得到边界清晰、结构合理的拓扑优化构形。     

机械结构参数化三级优化设计方法研究与实现

针对传统设计方法的设计结果安全系数过高、结构材料浪费严重的问题,在深入研究优化设计方法的基础上,根据现有优化设计方法的不足,提出机械结构的参数化三级优化设计方法。通过建立统一数据管理机制,将优化设计与参数化设计技术相结合,在基于变密度法的拓扑优化设计与单元生死技术的基础上,以结构最大柔度为优化目标,体积和平衡条件为约束条件,小密度单元为杀死单元,实现了参数化的连续体结构拓扑优化;研究了基于拓扑优化结果数据的参数化CAD模型生成技术,通过建立关键点实现了拓扑优化结果CAD模型的自动生成;在此基础上,研究了形状优化设计和尺寸优化设计与参数化设计技术相结合的优化方法;通过优化结果数据提取,快速进行优化结果模型的生成,实现了机械结构的快速参数化三级优化,避免了现有结构优化设计过程中手动进行模型修改更新操作复杂、浪费时间的弊端;最后,以某型号汽车转向器支架为例,验证了该方法的有效性。     

自动装填机械手回转支架的拓扑优化

以自动装填机械手的回转支架为研究对象,在Pro/E中建立其三维模型,利用有限元分析软件Opti Struct进行回转支架的模态分析。为提高回转支架的结构刚度,采用Opti Struct模块,运用变密度拓扑优化方法,建立了以第一阶固有频率最大化为优化目标,以单元密度为设计变量,以最大设计部分体积为约束条件的拓扑优化。优化结果给出了回转支架的材料最优分布图,提高了回转支架的固有频率,为自动装填机械手后续改进提供依据。     

皮带输送机同步电机支架拓扑优化分析

为降低皮带输送机同步电机支架质量,首先对初始支架的形状和结构进行适当优化,然后利用Shape Optimization工具对支架进行拓扑优化分析,得到支架质量多余部位;适当删减质量多余部位,并对拓扑优化前后的支架进行对比,最终结果表明:支架质量降低16.67%且强度未降低,为相关产品的设计优化提供了参考。     

新型人工骨支架结构及其功能

提出新的具有渐变性孔隙率特性的同心圆人工骨支架结构,建立数学模型并且编写结构设计和仿真软件。通过宏观把握孔隙率变化,建立人工骨支架结构与自然骨之间的对应关系,建造复杂的、高孔隙率、相互连通的微孔道立体结构,并显示三维图像指导支架内部结构的设计。由软件生成IGS文件导入其他三维辅助设计软件如 PRO／E等生成STL文件,结合快速成形技术直接制造。最后讨论该支架结构与Kammer股骨三维桁架理论结构模型之间的关系,以及该结构对骨再造和人工骨支架结构设计前景的影响。     

机载SAR天线座连接支架的拓扑优化设计

拓扑优化方法在雷达天线座的减重设计中具有突出优势,特别适合于大型精密雷达和机载雷达天线座的结构优化设计。文中建立了连接支架的拓扑优化模型,以单元密度为设计变量,体积分数上限为约束条件,加权应变能最小化为优化目标,对机载SAR天线座连接支架进行了拓扑优化设计。考虑到结构美观和制造性,添加了对称平面约束和拔模约束。结果表明:拓扑优化结果符合仿生学原理,在减轻质量的同时,也提高了结构性能。     

基于非概率可靠性的连续体结构拓扑优化设计

研究区间参数的连续体结构在区间载荷作用下的拓扑优化设计问题.构建区间载荷作用下区间参数连续体结构的拓扑优化设计数学模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数,满足单元区间应力非概率可靠性为约束条件.基于区间因子法,导出应力响应的均值和离差的计算表达式.采用双方向渐进结构优化(bi-directional evolutionary structural optimization, BESO)的求解策略与方法.通过两个算例验证文中模型及求解策略与方法的合理性和方法的有效性.     

基于变密度法的多材料与结构一体拓扑优化研究

针对多材料连续体结构拓扑优化问题,基于3D打印技术的发展,将材料可由多种不同材料按任意比例混合组成的技术应用于多材料拓扑优化问题中。在变密度法结构拓扑优化方法基础上,提出了一种双材料混合结构拓扑优化模型及其计算方法;在该模型中以单元密度作为设计变量,同时增加单元中两种材料混合比例为设计变量;最后通过两个算例对所提出方法的有效性进行了验证。研究结果表明:采用该方法进行结构拓扑优化的同时,可以得到两种材料的混合比例,实现基于各向同性固体材料插值模型(SIMP)的多材料与结构一体拓扑优化。     

基于应变能和拓扑描述数组的三维弹性体拓扑优化设计

提出一种基于应变能和拓扑描述数组的三维弹性体拓扑优化设计方法。该方法通过定义三维弹性体的拓扑描述数组实现了在拓扑优化设计的过程中单元网格的快速重新划分及结构拓扑信息的记录、设计域及非设计域的定义和单元的删除,将应变能低的单元定义为低效或无效的单元,在拓扑优化的过程逐步去除应变能低的单元获得结构的优化拓扑,该拓扑优化设计方法采用ANSYS软件的APDL语言实现。在程序设计中采用巧妙的增加应变能阈值的技术以避免设计灵敏度分析所带来巨大的计算工作量,从而提高了拓扑优化的效率,在整个拓扑优化设计过程中不需要人工控制的参数,程序通用性好。数值结果表明该方法高效简单,得到的最优拓扑符合工程结构的特点。     

光伏跟踪支架檩条结构高刚性轻量化设计

在太阳能光伏跟踪支架系统中，冷弯型檩条结构被用于支撑光伏板，安装位置介于主梁与边框之间。首先构建以结构柔顺度最小为设计目标、单元相对密度为设计变量、体积与一阶固有频率为约束的拓扑优化数学模型，基于SIMP法获得檩条结构的最优布局构型，在此基础上，对拓扑优化构型进行工程化设计，并制造加工出相关结构。然后根据太阳能光伏跟踪支架实际服役于不同风速荷载下的环境，设计分步测试载荷工况，分别对优化前后的檩条结构进行静动态仿真分析，由仿真结果可知优化后的檩条结构在抗弯、抗扭性能以及固有频率方面均得到了提高，从而验证了优化设计方法的有效性。最后采用实验测试方法对优化设计后的檩条结构性能进行验证。研究结果表明，在机械性能明显增强的前提下，檩条结构实现了减重8.8%。     

基于单元应力选择的BESO算法及其应用研究

针对变密度法和渐进结构优化法的缺点,提出了一种基于单元应力选择的双向渐进结构优化法。利用APDL语言对ANSYS单元的删除和添加功能进行二次开发,通过删除和添加单元,得到满足目标体积的拓扑结构,在此基础上,按照应变能水平高低,在保证体积不变的前提下,进一步恢复和删除单元,得到最优的拓扑结构。该方法综合考虑了结构体积的变化和单元的应力水平,避免了经验计算和振荡现象,有效提高了优化质量和计算效率。文中给出了算法的基本原理和步骤,并以TBT-ML500深孔钻床刀杆箱为研究对象,对其进行了拓扑优化和重构设计。结果表明,优化后刀杆箱的应力和变形量均降低,同时整体质量减少了9.26%,实现了刀杆箱的刚度最大化,同时也验证了该算法的有效性。     

基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求,提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法.该方法利用基结构拓扑优化的思想,将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构,通过各筋板的有无描述结构构型的变化.首先,借鉴连续体结构拓扑优化的思想,以壳单元离散筋板结构,以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0,描述该单元所在区域的筋板是否存在),以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束,镜体的质量最小为优化目标,建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,提取并形成结构概念构型;最后,采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析,并对结构进行修正,形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型.文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40,第一阶自振频率大于1 000 Hz,轻量化率达到86.0％.得到的结果验证了本文方法的有效性.     

液晶显示器结构易拆卸设计可靠性研究

针对废旧液晶显示器人工拆卸效率低、回收成本高等问题,以易拆卸结构作为液晶显示器支架的连接单元,运用TRIZ创新法则对液晶显示器支架连接结构进行重新设计,应用ABAQUS对支架易拆卸结构的尺寸进行优化,同时对其可靠性进行仿真分析,最后通过实验对液晶显示器支架易拆卸结构的尺寸、位置以及拆卸效果进行了验证。分析可知,通过对液晶显示器进行易拆卸设计研究,可以大幅提高液晶显示器维修、回收时的拆卸效率,并为其他电子电器产品的易拆卸设计提供技术支持。