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基于生物自适应生长机理的结构拓扑优化方法研究

作　者: 侯剑云
导　师: 丁晓红
学　校: 上海理工大学
专　业:
关键词: 自适应成长 SKO方法制造约束拓扑优化
分类号: TH122
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来，随着全球能源紧缺，原材料价格飞速上涨等因素的影响，工程界一直要求在满足工程要求的基础上，更好地进行结构优化设计。结构拓扑优化处于结构优化设计的概念设计阶段，其优化结果是其它后续设计的基础，因此在初始概念设计阶段需要确定结构的最佳拓扑形式。结构拓扑优化设计过程与生物自适应生长过程有很大相似性。生物通过感应外部刺激和内部需求来调节自身结构以适应外部环境和满足内部需求。基于生物自适应生长机理的结构拓扑优化方法应用生物的自适应生长原理来优化结构以满足工程要求。本文将基于生物自适应生长机理的结构拓扑优化方法分为SKO方法和自适应成长法，这两类方法作为结构拓扑优化方法的后起之秀，有很大的应用前景。本文着重对以下内容进行研究：针对采用现有SKO方法对复杂受力模型进行拓扑优化时，优化结果中存在的早熟现象，提出基于连续阶跃参考应力的SKO方法；该方法阶跃提升参考应力，解决材料堆积问题；对基于连续阶跃参考应力的相关参数进行研究，提出合理的参数选择原则，并应用大量实例说明此方法的可行性，为后续的拓扑优化奠定基础；将SKO方法拓展应用于三维结构中，确定显示优化结果的方法，分别对最小尺寸约束和拔模方向约束进行研究，采用过滤应力的方法将这两种约束加入到SKO方法中，研究并确立参数的选取原则，使之更加符合工程实际；针对由于计算误差积累导致采用自适应方法优化承载与结构均对称的模型时会得到不对称的优化结果，提出加入对称约束的自适应成长法，得到通用的对称公式，使之既能用于二维板壳结构，也能用于三维板壳结构；将自适应成长法拓展到箱型结构的加筋板分布优化中，研究并确立箱型结构中的基结构布筋板方式，通过选取种子线生长筋板的方法，使得到优化结果具有工程应用价值。

全文目录

中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-20
  §1.1. 课题背景及其研究意义  12-13
  §1.2. 国内外研究现状  13-18
    §1.2.1. 解析法  14
    §1.2.2. 数值法  14-15
    §1.2.3. 启发式方法  15-16
    §1.2.4. 仿生优化法  16-18
  §1.3. 论文的研究内容和组织结构  18-20
    §1.3.1. 研究内容  18-19
    §1.3.2. 组织结构  19-20
第二章基于连续阶跃参考应力的 SKO 方法  20-33
  §2.1. SKO 方法简介  20-21
  §2.2. 基于连续阶跃参考应力 SKO 方法介绍  21-24
    §2.2.1. 局部寻优过程和连续阶跃参考应力  21-23
    §2.2.2. 局部最优判断标准和收敛条件  23
    §2.2.3. 设计流程  23-24
  §2.3. 设计参数选择与算例  24-32
    §2.3.1. 受两面内力悬臂梁的拓扑优化  25-29
    §2.3.2. 受均布载荷三点简支平板的拓扑优化  29-30
    §2.3.3. 拱桥的拓扑优化  30-31
    §2.3.4. 受水平力的直立穿孔板的拓扑优化  31-32
  §2.4. 本章小结  32-33
第三章考虑制造约束的 SKO 方法  33-47
  §3.1. SKO 方法中显示结构材料分布空实单元的定义  33-34
  §3.2. 考虑最小尺寸约束的 SKO 方法  34-43
    §3.2.1. 最小尺寸控制技术  34-36
    §3.2.2. 考虑最小尺寸约束的 SKO 方法设计流程  36
    §3.2.3. 考虑最小尺寸约束的三点支撑平板模型的拓扑优化  36-39
    §3.2.4. 考虑最小尺寸约束的带孔长方板模型的拓扑优化  39-40
    §3.2.5. 考虑最小尺寸约束的受水平力的直立穿孔板的拓扑优化  40
    §3.2.6. 考虑最小尺寸约束的受均布载荷的长方体的拓扑优化  40-42
    §3.2.7. 其他考虑最小尺寸约束的三维模型的拓扑优化  42-43
  §3.3. 考虑拔模方向的 SKO 方法  43-46
    §3.3.1. 拔模方向控制技术  43-44
    §3.3.2. 考虑拔模方向约束的悬臂长方体结构拓扑优化  44-45
    §3.3.3. 考虑拔模方向约束的四角固支四棱柱模型的拓扑优化  45-46
  §3.4. 本章小结  46-47
第四章考虑对称性约束加筋板壳结构的自适应成长法  47-56
  §4.1. 自适应成长法简介  47-50
  §4.2. 考虑对称性约束的自适应成法  50-52
    §4.2.1. 对称性定义  50-51
    §4.2.2. 考虑对称性控制的设计流程  51-52
  §4.3. 设计实例  52-54
    §4.3.1. 四角固支方板模型结构优化  52-53
    §4.3.2. 考虑对边固支线均布载荷的半圆柱壳模型的结构优化  53-54
  §4.4. 本章小结  54-56
第五章箱型结构筋板分布优化的自适应成长法  56-69
  §5.1. 箱型结构筋板分布的自适应成长法介绍  57-61
    §5.1.1. 基结构的建立  57-58
    §5.1.2. 箱型结构内部筋板集合定义  58-59
    §5.1.3. 灵敏度计算及筋板厚度更新  59-60
    §5.1.4. 种子选择  60
    §5.1.5. 箱型结构筋板分布优化的自适应成长法的设计流程  60-61
  §5.2. 箱型结构受均布载荷时筋板分布优化  61-65
    §5.2.1. 当 L:W:H=4:4:1 时受均布载荷箱型结构的筋板优化  62-63
    §5.2.2. 当 L:W:H=4:2:1 时受均布载荷箱型结构的筋板优化  63
    §5.2.3. 当 L:W:H=6:2:1 时受均布载荷箱型结构的筋板优化  63-65
  §5.3. 箱型结构受集中载荷的筋板分布优化  65-66
  §5.4. 箱型结构受扭转载荷的筋板分布优化  66-68
    §5.4.1. 当 L:W:H=2:2:1 时受扭转载荷箱型结构的筋板优化  66-67
    §5.4.2. 当 L:W:H=4:2:1 时受扭转载荷箱型结构的筋板优化  67-68
  §5.5. 本章小结  68-69
结论与展望  69-71
参考文献  71-76
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果  76-77
致谢  77

基于生物自适应生长机理的结构拓扑优化方法研究

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