基于cad%2fcae快速响应的机械结构gbeso法拓扑优化及模型重构研究

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1、分类号：TH123单位代码：10110华学号：b20090036北基于姓CAD/CAE中北大学名中博士学位论文北快大速学响应的机械结基于CAD/CAE快速响应的机械结构构GBESOGBESO法拓扑优化及模型重构研究法拓扑优化及模博士研究生吴淑芳型重指导教师苏铁熊构研学科专业机械设计及理论究中北大学2014年6月1日图书分类号TH123密级非密注1UDC_______________________________________________________________博士学位论文基于CAD/CAE快速响应的机械结构GBESO法拓扑优化及模型

2、重构研究指导教师（姓名、职称）苏铁熊教授申请学位级别工学博士专业名称机械设计及理论论文提交日期2014年6月1日论文答辩日期2014年5月26日学位授予日期年月日论文评阅人张树生、莫蓉、孙桓五、沈兴全、王俊元、祝锡晶、王宗彦答辩委员会主席徐格宁2014年6月1日Ph.D.DissertationResearchonGBESOTopologyOptimizationandReconstructionofMechanicalStructureBasedonCAD/CAERapidResponseBy:WuShu-fangSupervisor:SuTie

3、-xiongNorthUniversityofChina2014.6.1中北大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作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。论文作者签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段

4、复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：I中北大学学位论文基于CAD/CAE快速响应的机械结构GBESO法拓扑优化及模型重构研究摘要机械结构设计过程主要包括概念设计、基本设计、详细设计三个阶段。每个阶段都存在着“设计-优化-再设计”的循环，计算机辅助设计（CAD，ComputerAidedDesign）和计算机辅助工程（CAE，ComputerAidedEngineering）技术的不

5、断发展，使机械结构设计的效率和质量有了较大提高。然而，随着产品的市场竞争日益加剧，机械产品设计要求不断提高，高效率、高精度、低成本的设计成为了设计者追求的目标。因此，机械产品设计的关键是要在短周期内实现低成本高质量的结构设计。本文在研究现有机械结构设计方法的基础上，研究了基于网格数据的CAD有限元模型到CAE模型的转换方法，建立了以参数化设计理论为基础，共享数据库为支承的双向相关模型转换机制，推导了双向渐进结构优化（BESO，TheBi-direcfionalEvolutionaryStructuralOptimization）法进行机械结构拓扑优

6、化的数学模型，提出了基于精英保留策略的遗传双向渐进结构优化（GBESO，GeneticBi-direcfionalEvolutionaryStructuralOptimization）法寻优策略，建立了基于特征和约束的优化结果模型重构方法，为实现高效率、高精度、低成本的机械结构设计提供了理论指导和方法依据。具体研究了以下内容：（1）在分析机械结构设计流程的基础上，研究了参数化设计方法，确定了基于特征的参数化CAD模型建立原则；探讨了数据传输的实现方法，建立了CAD模型及其相关数据的共享机制；通过分析CAD模型到CAE模型的转换机理，提出了一种有限元

7、网格模型转换方法及其模型转换双向相关机制，实现了结构设计过程中快速、准确的CAD/CAE响应，为后续的优化设计奠定了基础。（2）分析了渐进结构拓扑优化方法的优化理念，推导了BESO法进行机械结构拓扑优化轻量化设计、应力优化设计、刚度最大化设计的数学模型，针对BESO法受其优化准则（OptimalityCriteria，OC）的影响优化速度较慢，且优化结果不一定是原结构的真正最优解的问题，引入遗传算法（GA，GeneticAlgorithm）的精英保留策略，提出了遗I中北大学学位论文传双向渐进结构优化（GBESO）法寻优方式及其关键问题的解决方法，通

8、过与现有拓扑优化方法寻优结果进行比较，验证了该寻优算法的稳定性和高效性。（3）分析了基于有限元法的拓扑优化普遍存在的棋盘格