周期性复合材料微结构的多目标拓扑优化设计

基于多尺度均匀化方法,以组分材料用量为约束,以等效弹性模量矩阵主对角线上分量的加权组合最大为目标,建立周期性复合材料微结构的多目标优化设计模型。利用优化准则法控制设计目标与材料分布,以敏度过滤技术抑制棋盘格效应,实现微结构的构型优化。研究比较微结构网格粗细、材料组分比对不同目标元素优化结果的影响。通过典型算例验证优化模型和优化算法的有效性。     

负泊松比多胞材料的面内动态冲击仿真研究

多胞材料常作为高精密机械设备的运输包装材料,防止运输颠簸带来的损坏。以内凹三角形负泊松比多胞结构为研究对象,通过显式动力有限元软件LS-DYNA建立了不同内凹形式下的轴向冲击有限元模型,并进行了模型验证。研究不同内凹形式对平台应力与比吸能值的影响。结果表明,内凹形式对多胞结构的力学性能具有较大影响,其中,单边内凹的结构形式具有较大的平台应力值,上下对称式的结构形式具有长而稳的平台区,通过对内凹形式的合理设计,可以应用于更多的使用工况。     

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.     

利用聚类分析的宏细观多尺度并行拓扑优化设计方法研究

多孔材料因为具有质量轻、比刚度和比强度大、隔振和隔热效果好等优点,越来越多的应用在航空航天和制造装备等领域。为充分发挥多孔材料的性能,本文提出同时考虑结构的宏观性能和细观微结构性能的多尺度并行拓扑优化设计方法,获得性能优良的多孔结构。论文采用聚类方法有效降低了计算成本,针对并行优化难收敛的问题提出改进模型,使迭代平稳收敛。最后以经典的悬臂梁、MBB梁和Michell结构为例进行优化设计,通过对宏细观多尺度并行优化结果的分析,验证了所提方法的有效性与正确性。     

基于并行策略的多材料柔顺机构多目标拓扑优化*

多材料柔顺机构能够让设计者充分利用各种材料的优良属性,在力,位移,以及能量转移等方面获得更大的设计自由度,因而受到重视。针对受到广泛研究的柔顺机构,结合多目标拓扑优化的方法,提出相应的基于并行策略的求解模型。该方法的核心是将一个复杂的多材料多目标问题离散成为单材料子问题,然后并行求解,再根据整体目标的需要,对所有子问题的解进行调整以得到原始问题的解。针对多目标情形,提出新的材料与输出目标关系,从而在将多材料问题离散成单材料子问题的同时,也将多目标问题离散成单目标子问题。对所有的单材料单目标子问题采用各向同性材料的刚度插值-惩罚法并行独立求解。以上方法有其独特优势：在理论和实践上都比较简单,可以处理任意多种材料,可以避免零碎的拓扑结构因而有利于制造。通过算例说明了此方法的有效性。研究结果表明,该方法在某些输出需要特定材料的设计场合更具优势。     

极限热弹性材料微结构的拓扑优化设计

材料技术发展一直备受科技界和产业界的关注。采用一种多相材料水平集拓扑形状优化方法,对具有周期性微结构的人工复合材料进行微结构拓扑优化设计,使复合材料具有极端的热弹性能。这一系统的数值方法,通过均匀化方法计算微结构的等效材料性能,然后采用基于多相水平集模型的参数化水平集方法实现微结构的形状和拓扑演变。多相水平集模型使用多个水平集函数的组合来描述多相材料的边界,并且不出现重叠和缺失。参数化水平集方法将汉密尔顿-雅各比偏微分方程的拓扑形状优化问题转换为一个较为简单的尺寸优化问题。由两个极限热弹性材料微结构设计算例,验证了该设计方法的可行性,为设计具备极限性能的人工材料提供了一套系统的设计方法。     

结构多目标拓扑优化设计

为了研究结构多目标拓扑优化设计方法,引入了数学规划法的相关理论,分别采用最短距离法、平方加权法、规范目标法、线性加权法和折衷规划法建立了五种不同的目标函数,将多目标拓扑优化问题转化为单目标拓扑优化问题。通过在一个优化实例中验证这五种方法,结果表明五种方法均能解决多目标拓扑优化问题,其中线性加权法在提高结构刚度方面贡献比较大,而折衷规划法更能提高结构的固有频率。     

负泊松比蜂窝抗冲击性能分析

对一种新型蜂窝结构-负泊松比多凹角蜂窝及凹角蜂窝的面内抗冲击性能进行了系统分析。首先利用有限元软件Ansys/LS-DYNA分析了多凹角蜂窝及凹角蜂窝结构在不同速度冲击荷载作用下的变形模态,揭示了凹角蜂窝结构特有的负泊松比效应对提高其抗冲击强度的作用机制;随后根据经典理论模型,得出凹角蜂窝结构动力学强度的经验公式,与有限元结果的对比分析验证了所得理论经验公式的有效性,同时凹角蜂窝较传统正六边形蜂窝结构更高的动力学强度揭示了凹角蜂窝结构更优的吸能效果。     

多相材料的柔性机构拓扑优化设计

基于变密度法建立了多相材料的插值模型,并建立了以结构输出点位移最大为目标、材料体积为约束的多相材料柔性机构拓扑优化数学模型。运用移动渐近线方法对微型柔性夹钳设计开展拓扑优化并对结果进行分析。结果表明:基于多相材料的柔性机构拓扑优化方法能大幅降低拓扑结构的最大应力水平,但也一定程度上减小了结构输出点的位移。整体而言,该方法具有可行性,能有效解决工程中遇到的因应力过大而导致的结构失效问题。     

极限负泊松比的微结构拓扑优化

基于拓扑优化理论与能量法,构建了一种求解极限负泊松比拓扑构型的优化模型。文中建立了一种便于数值分析的负泊松比函数,以此为目标函数构建优化模型,并在不同初始布局条件下,求解得到相应微结构的最优拓扑构型和极限负泊松比,并在有限元软件中对所得到的最优拓扑构型进行仿真分析,参考国家标准测量泊松比试验方法,得到相应拓扑构型的负泊松比,并与所构建的优化模型求解得到的极限负泊松比对比分析,验证所构建优化模型的正确性。     

基于多材料组合的柔性机翼前缘拓扑优化

柔性机构应用于变弯度自适应机翼可以实现机翼外形随飞行状态的改变而发生连续平滑变形,具有很好的应用前景.从柔性构件的材料属性出发,基于载荷路径的遗传算法,从单一材料构件和多材料组合构件两个方面,对某机翼前缘进行拓扑优化,并对多材料组合变形结果进行ANSYS仿真,经过对比分析表明,柔性机构优化中采用多材料组合局部改变材料属性比只用单材料更能达到较好的变形要求,同时可以通过寻求更广泛的材料组合使拓扑效果达到最优化.     

Topology optimization with displacement-based nonconforming finite elements for incompressible materials

This investigation is concerned with the topology optimization using displacement-based nonconforming finite elements for problems involving incompressible materials. Although the topology optimization with mixed displacement-pressure elements was performed, a displacement-based approach can be an efficient alternative because it interpolates displacement only. After demonstrating the Poisson locking-free characteristics of the employed nonconforming finite elements by a simple patch test, the developed method is applied to solve the design problems of mounts involving incompressible solid or fluid. The numerical performance of the nonconforming elements in topology optimization was examined also with existing incompressible problems. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Tae Hee Lee Gang-Won Jang received his M.S. degree in 2000, and Ph.D. degree in 2004, both from the School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University, Seoul, Korea. He is currently an Assistant Professor at the School of Mechanical and Automotive Engineering, Kunsan National University, Jeonbuk, Korea. His current interest concerns topology optimization of multiphysics problems and thin-walled beam analysis. Yoon Young Kim received his B.S. and M.S degrees from Seoul National University, Seoul, Korea, and the Ph.D. degree from Stanford University, Palo Alto, CA, in 1989. He has been on the faculty of the School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University, since 1991. He is also the Director of the National Creative Research Initiatives Center for Multiscale Design. His main research field is the optimal design of multiphysics systems, mechanisms, and transducers. He has served as an editor of several Korean and international journals, and as an organizing committee member of several international conferences.     

Resonant ultrasound spectroscopy of cylinders over the full range of Poisson's ratio

Mode structure maps for freely vibrating cylinders over a range of Poisson's ratio, ν, are desirable for the design and interpretation of experiments using resonant ultrasound spectroscopy (RUS). The full range of isotropic ν (-1 to +0.5) is analyzed here using a finite element method to accommodate materials with a negative Poisson's ratio. The fundamental torsional mode has the lowest frequency provided ν is between about -0.24 and +0.5. For any ν, the torsional mode can be identified utilizing the polarization sensitivity of the shear transducers. RUS experimental results for materials with Poisson's ratio +0.3, +0.16, and -0.3 and a previous numerical study for ν = 0.33 are compared with the present analysis. Interpretation of results is easiest if the length∕diameter ratio of the cylinder is close to 1. Slight material anisotropy leads to splitting of the higher modes but not of the fundamental torsion mode.     

飞机蒙皮拉形模拓扑优化设计

将拓扑优化技术应用于大型飞机蒙皮拉形模的轻量化问题,可以解决传统拉形模设计中刚度与重量之间的矛盾。应用ABAQUS软件进行蒙皮拉形的非线性数值模拟,可以获取拉形模工作面的载荷数据。根据载荷数据选取的典型工况及给定的材料属性、约束条件等进行拓扑优化,将得到的拓扑优化结果进行模型重构,再对重构后的模型进行蒙皮拉形仿真,以验证模具的各项设计指标是否符合要求。以某型拉形模为例进行拓扑优化,并与传统设计的模具相比较,结果证明在同体分比的情况下,拓扑优化设计显著减小了模具的最大变形值和应力值。     

On the estimation of complex modulus and Poisson's ratio using longitudinal wave experiments

In this paper we consider different least-squares-based approaches for estimating the complex Young's modulus and the complex Poisson's ratio of a viscoelastic material using a longitudinal wave propagation experiment. We present a statistical analysis of different estimation approaches and compare their performances. The analytical covariance expressions are validated using experimental data.     

基于SIMP模型的大型压铸设备模板拓扑优化

在大型压铸机的设计中引入拓扑优化技术,结合工程实际应用情况,基于有限元-拓扑优化方法,利用优化准则算法,按照变密度法求解拓扑优化的固体各向同性惩罚微结构模型(SIMP模型).应用Hyperworks软件对压铸机模板结构进行了拓扑优化,得到更合理的材料分布.在满足产品技术指标的同时,相对于传统的设计结果,模板应力的最大值为205MPa下降到47.3MPa时,重量由初始设计的23.6T下降到19.12T,模板变形最大值从0.29毫米下降到0.245毫米,实现了结构轻量化的目标,得到了适合工程应用的优化模型并实现工程应用.     

成形磨齿机床立柱结构的拓扑优化研究

针对用传统设计方法设计的成型磨齿机床立柱在保证设备精度的同时会造成重量过大的问题,运用有限元设计方法建立了立柱的三维有限元模型,并利用ANSYS软件对立柱壳体进行了拓扑分析。由拓扑分析得出的载荷路径与立柱壳体模型相结合,提出了7种不同筋板布局的立柱结构。研究结果表明,与原立柱进行对比,斜角45°筋1型立柱的质量刚度比最优,斜角26.25°筋1型次之,而原立柱的质量刚度比最差;通过模态分析得到的新壳体模型斜角26.25°筋1型立柱的一阶固有频率比原模型提高了12.86%,而斜角45°筋1型立柱的一阶固有频率比原模型提高了9.09%;斜角45°筋1型立柱的质量比原立柱模型减少6.56%,斜角26.25°筋1型立柱的质量比原立柱模型减少了9.83%。     

汽车座椅骨架的拓扑优化研究

针对汽车座椅骨架质量较大的问题,对座椅骨架的结构、人机工程学、拓扑优化方法、镁合金的特点及加工方法进行了研究.根据人机工程学以及座椅的基本要求对座椅坐垫进行了拓扑优化设计;结合镁合金材料特点及压铸加工要求对座椅骨架进行再设计;最后应用ANSYS对改进后的座椅进行了静力学分析.研究结果表明,优化后的座椅骨架比优化前的减重20％,优化后的座椅骨架满足座椅静强度要求;从而说明该拓扑优化方法可用于座椅骨架的结构设计,同时得到了新的座椅骨架模型.     

Topology optimization based on the harmony search method

A new topology optimization scheme based on a Harmony search (HS) as a metaheuristic method was proposed and applied to static stiffness topology optimization problems. To apply the HS to topology optimization, the variables in HS were transformed to those in topology optimization. Compliance was used as an objective function, and harmony memory was defined as the set of the optimized topology. Also, a parametric study for Harmony memory considering rate (HMCR), Pitch adjusting rate (PAR), and Bandwidth (BW) was performed to find the appropriate range for topology optimization. Various techniques were employed such as a filtering scheme, simple average scheme and harmony rate. To provide a robust optimized topology, the concept of the harmony rate update rule was also implemented. Numerical examples are provided to verify the effectiveness of the HS by comparing the optimal layouts of the HS with those of Bidirectional evolutionary structural optimization (BESO) and Artificial bee colony algorithm (ABCA). The following conclusions could be made: (1) The proposed topology scheme is very effective for static stiffness topology optimization problems in terms of stability, robustness and convergence rate. (2) The suggested method provides a symmetric optimized topology despite the fact that the HS is a stochastic method like the ABCA. (3) The proposed scheme is applicable and practical in manufacturing since it produces a solid-void design of the optimized topology. (4) The suggested method appears to be very effective for large scale problems like topology optimization.

     

基于应力约束的多相材料结构拓扑优化设计

传统的固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)难以准确描述多相材料结构应力约束拓扑优化问题,鉴于此,提出一种基于可分离应力插值模型的多相材料结构应力约束拓扑优化设计方法.利用可分离应力插值模型计算多相材料结构的刚度和应力,以结构的体积最小化作为目标函数,采用改进的P范数求解各相材料结构的最大应力,以各相材料结构的最大应力作...