结构拓扑优化自适应成长设计方法研究.pdf

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1、中图分类号：TH11结构拓扑优化自适应成长设计方法研究机械设计及理论季学荣丁晓红教授二○一一年二月学校代码：10252学号：082230698上海理工大学硕士学位论文结构拓扑优化自适应成长设计方法研究姓名季学荣系别机械工程学院专业机械设计及理论研究方向结构分析与结构优化指导教师丁晓红教授学位论文完成日期2011年2月UniversityofShanghaiforScienceandTechnologyMasterDissertationResearchofAdaptiveGrowthTechnologyinStructuralTopologyOp

2、timizationNameJiXuerongDepartmentDepartmentofMechanicalEngineeringSpecialtyMechanicalDesignResearchDirectionStructuralAnalysisandOptimizationSupervisorProfessorDingXiaohongCompleteDataFebruary2011学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位论文保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。允许论文被查阅和借

3、阅。本人授权上海理工大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密年□本学位论文属于不保密□学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年月日摘要随着科学技术的发展，结构的性能要求越来越高

4、。研究并建立科学高效的设计方法并将其应用于指导结构设计是设计人员的共同目标。与传统的、依靠经验的结构设计方法不同，结构优化设计方法基于较成熟的数学优化理论和精确的有限元分析，可以设计出性能更优的结构且设计过程更加简单。在结构优化设计领域，拓扑优化设计是公认的最具挑战性的研究方向。与形状优化设计和尺寸优化设计相比，拓扑优化设计的设计空间最大，对结构性能的改进也最大，且设计的结果直接影响后续的形状优化设计和尺寸优化设计。因此，拓扑优化设计成为当今结构优化设计领域的研究热点。作为拓扑优化设计方法的一种，基于仿生设计技术的自适应成长拓扑优化设计方法（简称

5、自适应成长法）通过模拟自然界分歧系统的成长和分歧，使结构材料自适应于承载环境而分配，设计过程灵活，实现容易。本文深入研究了在板壳结构上获得最优的加强筋分布形态的仿生设计方法——板壳结构加强筋分布自适应成长设计方法的关键技术。这些技术包括基结构的构建方案、程序算法中相关参数取值对设计结果的影响、以及“种子”的自动选取等。与现有的自适应成长法相比，本文着重对以下内容进行研究：对加强筋的成长高度进行了限制，使之更加符合工程实际；在加强筋截面宽度与高度之间建立了函数关系，保证了加强筋成长过程中采用梁单元模拟的准确性；引入了稳定指标和退化指标大大提高了计算

6、效率；实现了板壳结构单面加筋的数值模拟，并在此基础上，研究了常用截面类型加强筋的板壳结构加强筋分布自适应成长设计方法，以及在加强筋分布设计结果基础上对加强筋截面尺寸进行优化的二次优化策略。在关键技术研究的基础上，本文将板壳结构加强筋分布自适应成长设计方法应用于实际的工程结构设计，实现了以最大刚度为设计目标的汽车发动机罩板结构的加强筋分布设计。结果表明，与现有的汽车发动机罩板设计相比，自适应成长法设计得到的最优结构的重量降低11.11%，结构整体刚度提升29.41%。在最大刚度加筋板壳结构设计的基础上，本文将其设计原理推广应用于提高板壳结构屈曲稳定

7、性的加强筋分布设计、提高整体刚度的桁架结构设计和箱体支撑结构隔板的分布设计等设计领域。典型算例表明自适应成长法适应性好，具有广泛的应用前景。关键词：拓扑优化自适应成长法板壳加筋设计桁架设计箱体支撑结构隔板设计ABSTRACTThedevelopmentofscienceandtechnologyasksformoreandmorerequirementsoftheperformanceofstructures.Itisacommongoalofdesignersthatdevelopingascientificandefficientdesign

8、methodtosolvetheproblemofstructuraldesign.Incontrasttothetraditional