拓扑优化设计

摘要： 采用ProE有限元软件建立机械连杆模型,并使用ABAQUS仿真软件对建立连杆模型进行静强度仿真分析,通过提取构件所受载荷,验证机械连杆在特定工况下的使用安全性,同时优化连杆结构模型寻求轻量化解决方案。重点运用ProE、ABAQUS仿真软件进行了机械连杆的模态仿真分析、应力应变仿真分析、轻量化拓扑结构优化设计。结果显示在相关工况下设计连杆模型与优化后模型均满足许用应力要求,同时拓扑优化设计也为产品提供更加优良的结构设计思路。通过对机械连杆的仿真分析得出了此型号的连杆在工况下的应力分布及构件性能安全,并对连杆设计机构进行优化设计,证明了ABAQUS仿真软件在对构件进行设计、分析、优化方面的实用性。

摘要： 针对轮式装载机动臂设计过程中轻量化的问题,在分析装载机的水平插入和垂直掘起受力工况的基础上,建立以体积为设计变量优化模型。基于ANSYS软件中的参数化设计语言APDL,应用ANSYS软件中拓扑优化模块对动臂进行结构拓扑优化设计,得出不同体积设计变量下的优化结果。对优化后的结果进行强度分析,在垂直掘起受力工况下,通过粘贴应变花试验验证,优化前、后的应力云图和位移变形图与试验结果相吻合。结果表明:优化后的动臂各项性能均满足工程设计要求,从而得出在该优化模型的基础上来确定主要设计参数,从而减轻传统的动臂设计质量,达到了节能目的。

摘要： 全地形越野赛车的减速器输出轴为动力系统中传递力和力矩的关键部件,其设计是否合理直接影响到整车的使用性能。本文使用SolidWorks软件建立输出轴三维模型,并导入ANSYS Workbench软件进行网格划分,得到输出轴的离散模型;对输出轴进行受力、强度和刚度分析,并确定输出轴需要进行轻量化设计;对输出轴进行拓扑优化设计,采用多目标遗传算法(MOGA)优化结构参数。所设计的输出轴在满足强度和刚度的情况下,实现产品质量减轻34.39%。该方案对其他零部件优化设计具有一定的参考价值。

摘要： 为了实现汽车轮毂结构相对于传统汽车轮毂的质量轻化,以拓扑优化方法为理论依据,结合应用Ansys Workbench对某汽车轮毂结构进行了轻量化设计,通过对轮毂进行拓扑优化分析并将质量在其最大允许范围内进行合理分布,根据模型的优化结果进行了二次设计。在符合设计要求的情况下,相对于优化前减轻了10%,材料的利用率得到较大的提高,实现了轮毂结构轻量化的目标。

摘要： 工程中的拓扑优化一般是对三维结构进行的优化,而结构拓扑优化的设计参数普遍属于非正态分布的随机变量,难以进行确定性拓扑优化.针对以上问题,首先使用JC法将非正态随机变量转化为标准空间内的正态随机变量,再利用标准空间内可靠度指标的几何意义求解可靠度.然后在变密度法的基础上,以结构体积作为约束,以柔度最小化为目标,建立三维连续体结构优化模型,最后使用优化准则法对经可靠度优化后的连续体结构进行优化迭代,得到满足可靠度要求和优化设计要求的三维拓扑结构.三种常见静定梁结构算例的计算结果表明,可靠度优化后的结构比传统的拓扑优化的结构体积更小,重量更轻,结构更可靠,优化效果更明显,表明该设计计算方法是可行的,为三维结构工程优化提供了一种更佳的方法.

摘要： 针对猪舍废气净化系统的填料结构,提出同时考虑结构机械性能与净化空间需求进行填料结构设计.将填料结构视为一种周期性结构,基于逆向均匀化方法和参数化水平集方法相结合的多目标拓扑优化方法,对周期性结构的单胞拓扑结构进行优化.以填料结构的最大等效体积模量和最大等效渗透率为优化目标,以等效孔隙率为约束条件,通过Hashin-Shtrikman属性边界得到等效体积模量及等效渗透率的极值,运用帕累托优化法求得满足多目标条件的帕累托最优解.根据帕累托最优解设计了不同孔隙率的填料结构构型,并通过试验验证填料结构设计方法的可行性与正确性.试验表明,填料结构前后端压力差与填料结构孔隙率成反比,与前端风速成正比;当填料结构孔隙率分别为80％、85％和90％时,稳定后平均除氨效率分别为66％、62％和58％.本研究可为猪场废气净化系统填料结构设计提供参考,可根据不同猪舍对风阻与净化效率的实际要求选择填料结构.

摘要： 为实现面向酿造工艺流程的智能天车主梁轻量化设计,本文首先根据天车实际运行工况得到主梁基本结构的参数,采用SolidWorks建立主梁三维模型,利用ANSYS Workbench对主梁在5种不同工况下进行静力学分析;其次在静力学分析基础上,采用变密度法对主梁进行拓扑优化设计,并对新型主梁进行静力学分析,验证了新结构的可行性;研究结果表明,优化后的主梁不仅满足强度刚度的要求,而且主梁质量减轻约11％,腹板质量减轻约23％,优化效果显著.

摘要： 使用分析优化工具对车架前端附件进行正向开发,本文对设计过程中使用材料插值模型和拓扑优化方法进行说明,根据子系统的安装需求,确定前端附件的设计空间,利用Hyperworks进行拓扑优化设计,并根据仿真结果进行工程重构,对重构模型进行仿真分析,验证其是否满足设计要求。与同类产品相比,优化后的产品减重效果明显。

摘要： 根据电动公交车车架的结构,采取拓扑优化方法和车架轻量化系数评价方法相结合的方案,对电动公交车车架进行减重优化设计.以某型电动公交车车架为研究参考样本,建立车架模型.在ANSYS中对设计的电动公交车车架进行有限元分析,并在满足材料基本性能的前提下采用变密度法对车架有限元模型进行拓扑优化.最后利用车架轻量化系数评价方法对优化前、后的车架进行轻量化评价.结果表明,轻量化系数由优化前的0.104降低为优化后的0.0058,较好地实现了电动公交车车架轻量化设计目标.

摘要： 铸造桥壳作为汽车上最重的球铁件，迫切需要通过优化设计减少其自重。虽然拓扑优化技术已开始应用于实际工程中，但对于像铸造桥壳这样复杂结构的拓扑优化设计还没有相关的文献，因此，本文将针对铸造桥壳的研究现状，利用OptiStruct，探讨一种有效的桥壳拓扑优化设计方法，实现减少桥壳自重并提高桥壳力学综合性能的目标。

摘要： 铸造桥壳作为汽车上最重的球铁件，迫切需要通过优化设计减少其自重。虽然拓扑优化技术已开始应用于实际工程中，但对于像铸造桥壳这样复杂结构的拓扑优化设计还没有相关的文献，因此，本文将针对铸造桥壳的研究现状，探讨一种有效的桥壳拓扑优化设计方法，实现减少桥壳自重并提高桥壳力学综合性能的目标。

摘要： 对于具有丰富层级特性的一类复杂结构，完全基于整体分析的结构拓扑优化设计会使整个优化问题呈现出极大的求解难度，数值优化难以实施。为此，基于分层次优化设计的思想并结合当今计算机硬件的发展趋势，针对复杂工程结构的优化问题，本文提出了一种基于超单元和多核并行的多层次拓扑优化策略，将进行拓扑优化之后的低层次局部构件处理作超单元进入到高层次结构，进而进行考虑结构宏观性能的分析优化，优化过程中实现了不同层次结构优化信息的相互传递。本文最后通过对机翼这种典型复杂结构的优化设计，验证了所提出的设计方法的可行性及有效性。

摘要： 本文基于HyperWorks软件的拓扑优化功能,对某飞机设备安装支架进行了改进设计,利用拓扑优化设计方法将传统的机加组合结构改进设计为一体成型的3D打印结构,设计过程中对拓扑优化中空结构和微单元填充结构进行了对比分析.

摘要： 本文借助Altair HyperWorks软件,对某型卡车前端大铸件进行强度分析,并运用OptiStruct软件开展拓扑优化设计,结合拓扑优化结果及对标件设计手法,设计了一种轻量化结构,最后通过强度分析验证了轻量化结构的可行性,结果表明:在满足性能要求的前提下,实现减重28％,本文的设计思路及手法为其他结构的轻量化设计提供参考.

摘要： 介绍了一种自适应柔性机翼后缘变形控制优化设计方法,该方法采用了由单个驱动器驱动的单块式分布柔性结构.该方法的关键在于设计一种合适的柔性后缘结构拓扑形式,使该自适应柔性机翼后缘能够达到精确的变形.阐明了柔性结构拓扑优化设计的数学模型,针对自适应柔性机翼后缘概念设计提出了基于参数化分析的拓扑优化设计方案,并进行了工程化圆整和尺寸优化.最终,通过非线性有限元分析和功能测试,验证了本文提出的柔性后缘优化设计方法的合理性.

摘要： 针对驾驶室减振降噪,提出一种基于驾驶室声振耦合系统声学贡献度分析的结构优化方法。运用模态叠加法求解耦合系统在外界激励下的动力学响应,利用声学贡献度分析、评价并确定对驾驶员右耳声压贡献突出的板件,以贡献度最大面板区域为设计域、一阶固有频率最大化为目标函数对结构进行拓扑优化。结构优化改进后,耦合系统主要激振频率下驾驶员右耳位置峰值声压级降低29dB,表明在保持驾驶室结构重量相对不变的情况下运用该方法有效降低车内噪声。

摘要： 本文基于Altair Hyperworks的拓扑优化功能，通过对某型号汽车排气系统消声器支架进行研究，以有限元模型单元密度为设计变量，以降低板壳单元结构关键部位应力为目标，优化设计出了满足要求的支架结构。计算结果表明，优化后的支架有效改善了关键部位的应力，提高了整个消声器结构的耐久性能，满足设计要求。

摘要： 基于拓扑优化理论和有限元方法，采用OptiStruct对某型叉车油缸支座进行了拓扑优化分析。得出最优材料分布方案后，对油缸支座进行结构重新设计。结果表明，拓扑优化后油缸支座的刚度和强度都比原始设计的要强，质量也更轻。

摘要： 基于拓扑优化理论和有限元方法，采用OptiStruct对某型叉车油缸支座进行了拓扑优化分析。得出最优材料分布方案后，对油缸支座进行结构重新设计。结果表明，拓扑优化后油缸支座的刚度和强度都比原始设计的要强，质量也更轻。

摘要： 本发明涉及热能工程技术，具体涉及一种联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，使用变密度拓扑优化方法构建拓扑优化模型，其包含设计域、边界条件、目标函数、约束条件与设计变量，通过流固共轭传热有限元仿真方法计算目标函数及其对设计变量的灵敏度并据此更新设计变量场，最终获得流固共轭传热下最优拓扑结构；通过提取拓扑结构并以此构建形状优化设计模型，接着同样在流固共轭传热有限元仿真方法基础上，对结构边界形状进行进一步优化，提升热沉流动传热性能，最终得到满足电子器件散热需求的最优热沉结构。通过引入形状优化方法消除了基于变密度法拓扑优化结果中灰度单元对最终热沉优化结构的影响，提升了热沉流动传热性能。

摘要： 本发明涉及结构优化设计技术，具体涉及联合拓扑优化与形状优化的多场耦合作用的结构设计方法，该方法使用基于变密度法的拓扑优化方法创建多场耦合作用拓扑优化模型，包含多物理场数值模型、设计域、边界条件、目标函数、约束条件与设计变量，通过多场耦合有限元仿真方法计算获取目标函数对设计变量的灵敏度信息以此更新设计域内各单元设计变量值，最终获得多场耦合作用下最优拓扑结构；通过提取拓扑结构并以此构建多场耦合作用下形状优化设计模型，然后在多场耦合仿真基础上，对结构轮廓进行进一步优化，提升结构整体性能，最终得到满足多物理场耦合作用下最优结构。解决了结构对多种物理性能的需求，改善了拓扑优化结构，提升了结构性能。

摘要： 本发明公开了一种大型风电基地功率汇集系统拓扑结构分层优化设计及其优化设计方法，其特点是该优化设计包括两个方面：其一是大型风电基地的风电场与汇集站以及不同电压等级汇集站之间拓扑结构优化设计；其二是大型风电基地的风电场内部风电机组之间以及风电机组与变电站之间拓扑结构优化设计；所述优化设计方法包括三个步骤：其一是采用改进单亲遗传算法得到经济性指标Ctotal；其二是采用蒙特卡洛法得到可靠性指标R；其三是根据经济性指标和可靠性指标，以min(OBJ)＝λ1Ctotal+λ2R为评估原则，确定功率汇集系统拓扑结构，其中OBJ为拓扑结构评估指标，Ctotal为经济性指标，R为可靠性指标。

摘要： 一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，属于涡轮气动设计领域。建立发动机涡轮叶栅流道拓扑优化的几何模型，确定设计域和出入口位置；构建关于流体的能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数等三个目标函数；调整目标函数之间数量级确保量级相近，以此构建修正的多目标函数；定义相应边界条件并求解流场，利用伴随法求解伴随流场，输出伴随乘子，进行灵敏度分析计算；将目标函数值及其灵敏度代入MMA优化算法进行优化，更新设计变量；判断目标函数是否收敛，若否，则将更新的设计变量代入MMA优化算法继续迭代，若满足，则输出最终拓扑结果。无需给定几何信息及初始叶型，为发动机涡轮叶栅构型设计提供一种新思路。

摘要： 本发明涉及结构优化设计技术，具体涉及联合拓扑优化与形状优化的多场耦合作用的结构设计方法，该方法使用基于变密度法的拓扑优化方法创建多场耦合作用拓扑优化模型，包含多物理场数值模型、设计域、边界条件、目标函数、约束条件与设计变量，通过多场耦合有限元仿真方法计算获取目标函数对设计变量的灵敏度信息以此更新设计域内各单元设计变量值，最终获得多场耦合作用下最优拓扑结构；通过提取拓扑结构并以此构建多场耦合作用下形状优化设计模型，然后在多场耦合仿真基础上，对结构轮廓进行进一步优化，提升结构整体性能，最终得到满足多物理场耦合作用下最优结构。解决了结构对多种物理性能的需求，改善了拓扑优化结构，提升了结构性能。

摘要： 本发明涉及热能工程技术，具体涉及一种联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，使用变密度拓扑优化方法构建拓扑优化模型，其包含设计域、边界条件、目标函数、约束条件与设计变量，通过流固共轭传热有限元仿真方法计算目标函数及其对设计变量的灵敏度并据此更新设计变量场，最终获得流固共轭传热下最优拓扑结构；通过提取拓扑结构并以此构建形状优化设计模型，接着同样在流固共轭传热有限元仿真方法基础上，对结构边界形状进行进一步优化，提升热沉流动传热性能，最终得到满足电子器件散热需求的最优热沉结构。通过引入形状优化方法消除了基于变密度法拓扑优化结果中灰度单元对最终热沉优化结构的影响，提升了热沉流动传热性能。

摘要： 内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓扑优化设计方法，涉及骨科假体技术领域。内置假体拓扑优化数学模型的构建方法，包括计算参考应变能、计算应变能总和、计算归一化应变能、建立内置假体的最大材料保留率、最大范式应力、计算所有单元平均材料保留率以及假体包含区域所有有限元单元的几何中心的应力的最大值、建立并令刚度匹配函数对归一化应变能的偏导数为零解得加权因子的取值并带入得到刚度匹配函数、建立拓扑优化数学模型。将健康骨作为假体设计的参照，利用加权因子和增减函数来可控调节假体刚度达到与参考应变能相近水平，利用增减函数的互相抵耗作用实现优化模型函数的极值调控，使得收敛稳定，以便于获得最优解，方便实际工程的运用。

摘要： 本发明涉及水下机械结构件设计技术，具体涉及一种联合拓扑优化与形状优化的水下结构设计方法，基于变密度拓扑优化方法结合目标结构实际工况创建拓扑优化设计域并设置目标函数、约束条件与设计变量，通过双向流固耦合有限元仿真方法计算目标函数与灵敏度来更新设计域内设计变量的分布，最终获得流固耦合作用下最优拓扑结构；接着同样在双向流固耦合有限元仿真方法基础上，利用形状优化方法进一步优化结构边界形状，提升结构性能，最终得到水下作业环境的最优结构。采用双向流固耦合方法，提高了水下结构设计的可靠性，同时引入形状优化方法消除了基于变密度法拓扑优化结果中灰度单元对最优结构的影响，并且进一步提升了结构性能。

摘要： 内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓扑优化设计方法，涉及骨科假体技术领域。内置假体拓扑优化数学模型的构建方法，包括计算参考应变能、计算应变能总和、计算归一化应变能、建立内置假体的最大材料保留率、最大范式应力、计算所有单元平均材料保留率以及假体包含区域所有有限元单元的几何中心的应力的最大值、建立并令刚度匹配函数对归一化应变能的偏导数为零解得加权因子的取值并带入得到刚度匹配函数、建立拓扑优化数学模型。将健康骨作为假体设计的参照，利用加权因子和增减函数来可控调节假体刚度达到与参考应变能相近水平，利用增减函数的互相抵耗作用实现优化模型函数的极值调控，使得收敛稳定，以便于获得最优解，方便实际工程的运用。

摘要： 本发明公开一种正方晶格弹性高阶拓扑绝缘体的拓扑优化设计方法及系统，该拓扑优化设计方法为实现指定工作频率的弹性高阶拓扑绝缘体，对二维正方晶格元胞中材料分布进行反演设计，以获得具有弹性波波导传输和定点局域收集能力的结构。本发明设计得到的正方晶格弹性高阶拓扑绝缘体能够实现弹性波的精确波导和定点局域效果，可用于指定频率区域弹性波的精确调控，充分发挥了高阶拓扑绝缘体的波调控能力。