基于ESO的液压机下横梁结构拓扑优化及双向进化结构优化方法研究

论文摘要

液压机是一种通用的锻压机械,是现代工业生产中的重要设备。液压机下横梁是其重要结构部件,它的变形大小及其他特性将直接或间接影响工件的加工质量。液压机下横梁结构复杂,传统材料力学设计方法很难保证计算的精度和可靠性;虽然有限元法为结构分析提供了一种强有力的分析手段,但现有的研究工作多局限于对结构作有限元强度分析校核和尺寸优化等,未能对结构的拓扑进行优化,很难达到从根本上对原结构进行改进,因此也不能获得真正意义上的最优设计。1993年由Xie Y.M和Steven G.P提出了进化结构优化(Evolutionary Structural Optimization, ESO,又译为渐进结构优化)方法[1],它把适者生存的生物进化论思想引入结构拓扑优化,在优化过程中逐步地移去对结构的刚度贡献不大的材料单元,用基于满应力准则法进行结构的拓扑优化设计。由于进化结构优化法的概念简单,易于实现,尤其是易于与现行有限元软件相结合,很快得到了国内外研究学者的重视。随后发展的双向进化结构优化方法解决了传统进化结构优化法中一旦单元删除,再不能恢复的问题。经过十几年的发展,进化结构优化方法取得了许多重要成果,大量的算例证明了算法的有效性。目前方法的研究成果多偏于理论方面,理论仍处不断发展中,应用成果不多。双向进化结构优化方法还存在进化进程控制参数较多等问题,使得其实际应用受到一定限制。探索新的算法、新的准则和新的应用领域,一直是ESO方法的研究重点和难点。本研究对进化过程中删除和添加单元的确定准则进行了较为深入的研究,为了充分发挥添加单元在优化进程中的作用,提出了一种基于应力突变率的双向进化结构优化方法和实施准则。该方法在添加单元的过程中只采用应力突变率一个参数,一定程度上避免了多个参数的相互制约,因而进化效率高。算例及其与其他方法成果的对比表明,该方法是有效和可靠的;是对传统进化结构优化法的进一步拓展和理论的完善。为了方法能在实际工程中应用更为广泛,论文分别运用基于应力约束的进化结构优化法和基于应力突变率的双向进化结构优化法对液压机下横梁进行结构拓扑优化。从结构拓扑源头,按照最佳传力路经来研究下横梁最优结构形式,进而实现最优结构拓扑和形状尺寸优化的一致。为进化结构优化方法的实际工程应用作了有益的探索,得到了更加合理的拓扑结构,改善了液压机的使用性能,进而提高了我国液压机的设计水平。获得的结果具有实际工程应用价值,对液压机下横梁或其它三维结构的拓扑优化的设计提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 进化结构优化方法与液压机设计的研究现状及发展
• 1.1.1 进化结构优化方法的研究现状及发展
• 1.1.2 液压机结构设计的研究现状及发展
• 1.2 论文的主要研究内容
• 1.3 论文的研究意义
• 2 进化结构优化方法及其发展
• 2.1 结构优化算法和优化设计
• 2.1.1 结构优化算法
• 2.1.2 结构优化设计
• 2.2 结构拓扑优化
• 2.2.1 离散结构拓扑优化的研究进展
• 2.2.2 连续体结构拓扑优化方法
• 2.3 进化结构优化（ESO）方法
• 2.3.1 进化结构优化方法简介及特点
• 2.3.2 性能指标公式
• 2.3.3 应力约束
• 2.3.4 刚度或位移约束
• 2.3.5 频率约束
• 2.3.6 进化结构优化法缺点及工程实际应用
• 2.4 双向进化结构优化法
• 2.4.1 双向进化结构优化法（BESO）的提出
• 2.4.2 双向进化结构优化法的发展
• 2.4.3 双向进化结构优化法最新成果
• 2.5 本章小结
• 3 液压机结构设计及其发展
• 3.1 液压机工作原理、参数和结构特点
• 3.1.1 液压机的工作原理
• 3.1.2 液压机的基本参数
• 3.1.3 液压机的结构特点
• 3.2 液压机本体结构
• 3.2.1 三梁四柱式结构
• 3.2.2 整体框架式结构
• 3.2.3 单柱式结构
• 3.2.4 拉杆预应力组合结构
• 3.3 液压机结构设计
• 3.3.1 液压机设计方法的发展
• 3.3.2 液压机结构设计的不足
• 3.4 下横梁的结构设计
• 3.5 本章小结
• 4 基于应力突变率的双向进化结构优化方法研究
• 4.1 基于应力突变率的双向进化结构优化方法
• 4.1.1 应力突变率算法的提出
• 4.1.2 应力突变率
• 4.2 基于应力突变率的双向进化结构优化的实施及算法流程
• 4.2.1 实施步骤
• 4.2.2 算法流程
• 4.3 突变率参数取值研究
• 4.3.1 突变率取值归纳比较
• 4.3.2 平均单元突变比率
• 4.4 基于应力突变率BESO 方法典型算例及其比较
• 4.4.1 Michell 型桁架结构拓扑优化
• 4.4.2 悬臂梁结构进化结构拓扑优化
• 4.5 本章小结
• 5 基于ESO 算法的液压机下横梁的结构拓扑优化研究
• 5.1 液压机下横梁基于ESO 法结构拓扑优化的算法及实施
• 5.1.1 液压机下横梁结构拓扑优化应力准则
• 5.1.2 液压机下横梁结构拓扑优化计算流程
• 5.2 液压机下横梁结构基础拓扑的分类
• 5.3 无中间工艺孔对液压机下横梁拓扑优化设计
• 5.3.1 液压机下横梁的基础拓扑
• 5.3.2 液压机下横梁的计算模型
• 5.3.3 下横梁面设置为非拓扑设计区的下横梁结构拓扑优化设计
• 5.3.4 下横梁面设置为拓扑设计区的下横梁结构拓扑优化设计
• 5.3.5 两种拓扑结构的比较
• 5.4 有中间工艺孔对液压机下横梁拓扑优化结果的影响
• 5.4.1 液压机下横梁的基础拓扑
• 5.4.2 液压机下横梁的计算模型
• 5.4.3 下横梁面设置为拓扑设计区的下横梁结构拓扑优化设计
• 5.4.4 下横梁面设置为拓扑非设计区的下横梁结构拓扑优化设计
• 5.4.5 两种拓扑结构的比较
• 5.5 中间工艺孔的相对大小对拓扑结构的影响
• 5.6 拓扑结构的修整
• 5.6.1 第一种拓扑结构的修整
• 5.6.2 第二种拓扑结构的修整
• 5.7 基于应力突变率双方向进化结构方法的液压机下横梁结构拓扑优化
• 5.7.1 液压机下横梁的基础拓扑
• 5.7.2 液压机下横梁的计算模型
• 5.7.3 基于应力突变率双向进化结构优化法的下横梁结构拓扑优化
• 5.8 新旧拓扑结构有限元分析比较
• 5.8.1 液压机下横梁原结构
• 5.8.2 液压机下横梁原结构有限元分析
• 5.8.3 液压机下横梁新结构一型有限元分析
• 5.8.4 液压机下横梁新结构二型有限元分析
• 5.9 本章主要成果和小结
• 5.9.1 本章主要成果
• 5.9.2 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本课题主要研究成果和意义
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录