连续体结构拓扑优化理论及其在炮塔结构设计中的应用研究

论文摘要

连续体结构拓扑优化是目前结构优化领域研究的热点问题之一,相对于传统的尺寸优化和形状优化,拓扑优化处于结构的概念设计阶段,其结果是一切后续优化设计的基础,因而结构拓扑优化能够取得更大的经济效益,对于工程设计具有更重要的意义。本文分别对基于变密度法、渐进结构优化方法和多岛遗传算法的连续体结构拓扑优化方法及其中的数值计算问题进行了研究,利用大型有限元软件ANSYS强大的前后处理及计算功能,开发了以上三种方法的拓扑优化程序和用户图形化界面;对某自行榴弹炮的炮塔体进行了结构动态响应分析和优化,将拓扑优化方法应用到炮塔托架体的设计中,借助于优化来实现炮塔体轻量化设计。主要的研究内容包括:1、分别推导了结构体积和刚度约束下基于变密度方法和优化准则法的拓扑优化算法;提出了一种新的灵敏度过滤算法,有效消除了优化过程中的棋盘格和网格依赖数值问题;利用ANSYS软件强大的前后处理及计算功能编制了拓扑优化程序,以典型算例对其准确性进行了验证,并将其应用到二维和三维结构拓扑优化中,有利于促进连续体结构拓扑优化方法的工程应用研究;在以上研究基础上探讨优化参数对结果的影响;2、对基于结构应力和应变能的渐进结构优化方法和双向渐进结构优化方法进行了研究;分析了传统渐进结构优化方法中基于单元应变能的灵敏度计算方法产生较大误差的原因,提出了一种改进的灵敏度算法;为了改善优化过程中优化参数选取困难且对优化求解的稳定性存在较大影响的问题,提出了一种基于自适应参数的渐进结构优化方法;3、为了解决前面几种拓扑优化方法所存在的全局寻优问题,将多岛遗传算法应用到连续体结构拓扑优化中,以典型算例对比分析了基于标准遗传算法和多岛遗传算法的连续体结构拓扑优化方法,结果表明在相同参数下基于多岛遗传算法的拓扑优化方法能够获得更好的全局解;4、采用ANSYS二次开发语言APDL分别编制了以上基于变密度法、双向渐进结构优化方法和多岛遗传算法的拓扑优化程序,增强了ANSYS软件的拓扑优化功能,并利用界面二次开发语言UIDL完成了相应程序的界面菜单设计;5、将连续体结构拓扑优化方法应用到某车载炮驾驶室和某边防巡逻车车身结构优化设计,通过有限元方法实现了样机的虚拟设计改进,避免了设计的盲目性,提高了设计的可行性和有效性,从而缩短了设计周期;6、分析了某炮塔体结构在火炮发射过程中的动态响应特性,以轻量化设计为目的,基于多岛遗传算法对炮塔体各部分壁厚进行优化,并对优化后结构的刚强度进行了校核,壁厚优化后炮塔体质量减少了10.01%;对炮塔托架体结构进行拓扑优化,基于优化结果建立了托架体的模型,计算结果表明优化后的托架体在满足结构刚度约束要求下,质量减少了23.9%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究综述
• 1.2.1 连续体结构拓扑优化方法研究
• 1.2.2 连续体结构拓扑优化中优化算法研究
• 1.2.3 连续体结构拓扑优化中数值计算问题的研究
• 1.2.4 连续体结构拓扑优化的应用研究
• 1.2.5 炮塔结构优化设计研究
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 基于均匀化和变密度法的连续体结构拓扑优化方法
• 2.1 基于均匀化方法的连续体结构拓扑优化
• 2.2 基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法
• 2.2.1 基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法
• 2.2.2 一种改进的过滤算法
• 2.2.3 体积约束下结构刚度最大化的结构拓扑优化
• 2.2.4 结构刚度约束下质量最小化的结构拓扑优化
• 2.2.5 优化算法中参数对优化结果的影响
• 2.2.6 结论
• 2.3 本章小结
• 3 基于渐进结构优化方法的连续体结构拓扑优化
• 3.1 基于应力的渐进结构优化方法
• 3.1.1 拓扑优化模型及单元平均应力计算
• 3.1.2 基于应力的渐进结构优化方法步骤
• 3.1.3 基于应力的连续体结构拓扑优化
• 3.2 基于刚度约束的渐进结构优化方法中的灵敏度计算
• 3.2.1 传统的渐进结构优化方法
• 3.2.2 单元灵敏度的计算及偏差分析
• 3.2.3 基于相对差商的灵敏度计算
• 3.2.4 结论
• 3.3 基于自适应参数的渐进结构优化方法
• 3.3.1 优化模型及灵敏度计算
• 3.3.2 传统渐进结构优化方法中的优化参数问题
• 3.3.3 自适应参数的计算方法
• 3.3.4 算例
• 3.3.5 结论
• 3.4 基于结构刚度约束的渐进结构优化方法的应用
• 3.4.1 优化模型及灵敏度计算
• 3.4.2 桁架结构的拓扑优化
• 3.4.3 二维连续体结构的拓扑优化
• 3.4.4 三维连续体结构的拓扑优化
• 3.5 双向渐进结构优化方法及其实现
• 3.5.1 双向渐进结构拓扑优化方法的基本理论
• 3.5.2 双向渐进结构优化方法的基本流程
• 3.5.3 基于双向渐进结构优化方法的二维连续体结构拓扑优化
• 3.6 双向渐进结构优化方法中的性能指标
• 3.7 渐进结构优化方法中的数值计算问题
• 3.7.1 优化中存在的问题
• 3.7.2 采用逆向工程方法拓扑优化结果重构
• 3.7.3 算例分析
• 3.7.4 结论
• 3.8 本章小结
• 4 基于多岛遗传算法的连续体结构拓扑优化
• 4.1 遗传算法的基本理论
• 4.2 基于标准遗传算法的连续体结构拓扑优化
• 4.2.1 基于结构刚度约束的连续体结构拓扑优化模型
• 4.2.2 基于标准遗传算法的拓扑优化流程
• 4.2.3 连续体结构拓扑优化的遗传算法编码
• 4.2.4 适应度的计算
• 4.2.5 基于标准遗传算法的优化结果
• 4.3 基于多岛遗传算法的连续体结构拓扑优化
• 4.3.1 多岛遗传算法的优化机理
• 4.3.2 二维结构的拓扑优化算例
• 4.4 本章小结
• 5 基于 ANSYS二次开发的拓扑优化程序
• 5.1 ANSYS二次开发语言
• 5.1.1 ANSYS参数化开发语言APDL
• 5.1.2 用户界面开发语言UIDL
• 5.1.3 用户子程序开发UPFs
• 5.2 基于APDL开发的变密度法拓扑优化程序
• 5.2.1 基于变密度法拓扑优化方法流程
• 5.2.2 优化程序的开发
• 5.3 基于APDL开发的双向渐进结构优化程序
• 5.3.1 基于双向渐进结构优化方法的拓扑优化方法流程
• 5.3.2 优化程序的开发
• 5.4 基于APDL开发遗传算法的拓扑优化程序
• 5.4.1 基于遗传算法的结构拓扑优化方法流程
• 5.5 基于UIDL开发的拓扑优化程序界面
• 5.5.1 基于UIDL优户界面开发编程
• 5.5.2 优化模块TopOpt界面的开发
• 5.6 本章小结
• 6 驾驶室结构拓扑优化设计
• 6.1 某车载炮驾驶室结构拓扑优化设计
• 6.1.1 驾驶室结构拓扑优化模型
• 6.1.2 驾驶室结构拓扑结果与分析
• 6.1.3 结论
• 6.2 某边防巡逻车结构优化设计
• 6.2.1 车身断裂问题的提出
• 6.2.2 车身骨架断裂分析
• 6.2.3 改进方案
• 6.2.4 结论
• 6.3 本章小结
• 7 炮塔结构分析与优化设计
• 7.1 炮塔体结构的动态响应分析
• 7.1.1 动特性分析的有限单元法
• 7.1.2 炮塔体结构有限元模型的建立
• 7.1.3 炮塔体结构的模态分析
• 7.1.4 火炮发射时炮塔体结构的动力学分析
• 7.2 基于多岛遗传算法的炮塔体结构优化设计
• 7.2.1 炮塔体优化模型的建立
• 7.2.2 基于多岛遗传算法的炮塔体结构优化
• 7.2.3 分析对比优化结果
• 7.2.4 结论
• 7.3 炮塔托架体结构拓扑优化设计
• 7.3.1 托架结构拓扑优化的有限元模型及优化结果
• 7.3.2 优化前后结构对比分析
• 7.3.3 结论
• 7.4 本章小结
• 8 全文总结
• 8.1 本文的主要工作及结论
• 8.2 本文的主要创新性研究内容
• 8.3 研究展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文
• 参考文献