結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化精品課件

1、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化第1頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究分為下面幾個層次：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化（Sizing Optimization）結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化（Shape Optimization）結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization ）形貌優(yōu)化技術(shù)（Topography optimization） 第2頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二結(jié)構(gòu)優(yōu)化：第3頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二Structural optimizationE, ntRrLh第4頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星

2、期二Door Support Arm第5頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二Door Support Arm第6頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程：第7頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二拓?fù)鋬?yōu)化可獲得最佳結(jié)構(gòu)布局即最佳的載荷路徑。在最優(yōu)布局的基礎(chǔ)上按照真實的設(shè)計需求來形成工程設(shè)計方案，并應(yīng)用更仔細(xì)的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化工具來優(yōu)化這個設(shè)計方案。第8頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二尺寸優(yōu)化技術(shù)（size optimization） 尺寸優(yōu)化是一種參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，用來尋找最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)組合，例如材

3、料參數(shù)、橫截面尺寸和厚度等，是一種最為普遍也最為簡單的優(yōu)化 第9頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二形狀優(yōu)化技術(shù)（shape optimization） 形狀優(yōu)化是一種對現(xiàn)有零部件的形狀和位置進行優(yōu)化的技術(shù)，適合于詳細(xì)設(shè)計階段。 第10頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)（topology optimization）拓?fù)鋬?yōu)化是一種具有創(chuàng)新性的概念設(shè)計技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段，設(shè)計人員確定設(shè)計空間、設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計約束和制造工藝約束等， 第11頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，可以確定一個擁有最佳載荷

4、路徑的設(shè)計方案。將結(jié)果中的材料高密度區(qū)域作為結(jié)構(gòu)，而將材料低密度的區(qū)域用孔來表示.第12頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二形貌優(yōu)化技術(shù)（topography optimization） 形貌優(yōu)化是一種面向薄壁結(jié)構(gòu)和鈑金件的概念設(shè)計技術(shù)。設(shè)計人員可以確定設(shè)計區(qū)域、筋的最大高度和起筋的角度等參數(shù)。第13頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二建立了有限元模型之后，將制造工藝需求、應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)和屈曲要求作為形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化問題的設(shè)計約束，將質(zhì)量最小化作為優(yōu)化的目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化計算。 第14頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二圖.

5、由高強度鋁合金制造的通過拓?fù)洹⒊叽绾托螤顑?yōu)化得到的A380機翼前緣肋第15頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想:是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題。通過拓?fù)鋬?yōu)化分析，設(shè)計人員可以全面了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特征，可以有針對性地對總體結(jié)構(gòu)和具體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。 第16頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二拓?fù)鋬?yōu)化的特點: 連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的最大優(yōu)點是能在不知道結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹那疤嵯?，根?jù)已知邊界條件和載荷條件確定出較合理的結(jié)構(gòu)形式，它不涉及具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，但可以提出最佳設(shè)計方案。 第17頁，共31頁

6、，2022年，5月20日，19點13分，星期二求取拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法退化原理的基本思想： 是在優(yōu)化前將結(jié)構(gòu)所有可能桿單元或所有材料都加上，然后構(gòu)造適當(dāng)?shù)膬?yōu)化模型，通過一定的優(yōu)化方法逐步刪減那些不必要的結(jié)構(gòu)元素，直至最終得到一個最優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。 第18頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二求取拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法：另一種是進化原理： 是把適者生存的生物進化論思想引入結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，它通過模擬適者生存、物競天擇、優(yōu)勝劣汰等自然機理來獲得最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。進化法是一類全局尋優(yōu)方法，目前常用于拓?fù)鋬?yōu)化的進化法主要有遺傳算法、模擬退火算法和漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等。 第19頁，共31頁，2022年，

7、5月20日，19點13分，星期二拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型 退化法即傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，一般通過求目標(biāo)函數(shù)導(dǎo)數(shù)的零點或一系列迭代計算過程求最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。常用的連續(xù)體結(jié)構(gòu)的退化拓?fù)鋬?yōu)化方法有：變厚度法、變密度法及均勻化方法、基結(jié)構(gòu)方法。 第20頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二變密度法是人為的建立一種材料密度與材料特性之間的關(guān)系，拓?fù)鋬?yōu)化計算以后得到單元的密度值為 0 或 1，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)比較清晰 第21頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二均勻化方法是最為流行的方法，拓?fù)鋬?yōu)化后單元的密度值是介于 0 1 之間的連續(xù)值，得到的是一種比較模糊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 第

8、22頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二均勻化方法的數(shù)學(xué)模型均勻化方法的基本思想是在組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的材料中引入微結(jié)構(gòu)單胞（圖1），第23頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二優(yōu)化過程中以微結(jié)構(gòu)的單胞尺寸為拓?fù)湓O(shè)計變量，建立材料密度與材料特性之間的關(guān)系，以單胞尺寸的消長實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的增刪，并產(chǎn)生由中間尺寸單胞構(gòu)成的復(fù)合材料，以拓展設(shè)計空間，從而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型與尺寸優(yōu)化模型。第24頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二特征值作用是引進體積為0的孔和體積為1的實體來描述一個多孔介質(zhì)。虛擬分析工作就選定滿足區(qū)域假定的特征值，但這些值不全

9、是零或一的，用homogenization（均質(zhì)）法則，虛擬等于對應(yīng)的區(qū)域假定的平均微孔張量。 第25頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二產(chǎn)生與材料約束范圍最小最大限度目標(biāo)功能有關(guān)系的孔的尺寸分配。 如果孔變大占據(jù)全部的單元，材料就不需要了；如果孔變小到一點，結(jié)果物體變成完全由材料充填的實體。自然，尺寸如在這兩極端之間，必需按統(tǒng)一比例選擇。用密度表示每一個單元材料殘余體積與原始的單元體積的比率，大致的結(jié)構(gòu)形狀就獲得了。第26頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二以結(jié)構(gòu)的總?cè)犴樞宰钚∽鳛閮?yōu)化目標(biāo)，以微結(jié)構(gòu)的單胞尺寸a為優(yōu)化設(shè)計變量； 第27頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二約束條件:約束條件（3）根據(jù)虛功原理，以結(jié)構(gòu)的靜力平衡作為約束條件；約束條件（4）考慮到優(yōu)化后的體積一定不大于初始體積；約束條件(5)假設(shè)了材料特性與密度 的關(guān)系。 第28頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二網(wǎng)格獨立性 / 棋盤式過濾問題:核查密實/空 模式，依據(jù)網(wǎng)格大小進行解決啟發(fā)式解決: 空間過濾敏感度 或 密度值的過濾過濾半徑?jīng)Q定最小單元大小r第29頁，共31頁，2022年，5月20日，19點13分，星期二拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果處理及分析 結(jié)