基于gsfp方法的连续体结构选材与拓扑协同优化设计

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1、犬－＇ｉｌ拔大爱ＤＡＬＩＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹｆｉＳＳ士室位正文ＭＡＳＴＥＲＡＬＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ＞？基于ＧＳＦＰ方法的连续体结构选材与拓扑协同优化设计工程力学学科专业作者姓名？、指导教师ｍｍ．２０１５＾６答辩日期—＿＿ｆｉ硕士学位论文基于ＧＳＦＰ方法的连续体结构选材与拓扑协同优化设计ＴｈｅＣｏｎｃｕｒｒｅｎｔＯｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｎｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｇＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＴｏｏｌｏＢａｓｅｄｏ

2、ｎＧＳＦＰＭｅｔｈｏｄｐｇｙ作者姓名：张飞学科、专业：工程力学学号：２１２０３０２０指导教师：张永存日期：２０１５年５月完成大違理工大旁ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中巳经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果一。与我同工作的同志对本研究所做的贡献均巳在论文中做了明

3、确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：ｆｆ白刑方泣站赠休结设ｉ十＾作者签名ｇ／５？：魂飞日期：ｚ年＜月日大连理工大学硕士学位论文摘要飞行器等先进结构对轻量化，而、高性能、低成本、长寿命等多功能要求越来越高结构的概念设计对实现这些要求起决定性作用。结构概念设计的主要任务是选择合适的材料和确定最优的结构几何构型（如拓扑、形状和尺寸）。选材设计和结构几何设计是获得高性能结构的两个重要途径，而结构设计的最优构型也依赖于所选择的材料，因此，材料选材或设计与结构几何设计相互親合，需要研究有效的协

4、同设计方法。本文研究基于ＧＳＦＰ方法（基于广义形函数的参数化方法）的连续体结构的选材与拓扑协同设计的优化模型和求解方法，并将该优化方法应用于飞机主承力铁合金结构的选材与拓扑协同优化设计，提出新的多材料构型，并进行性能评价。具体的研宄内容和结论如下：（１）基于梯度优化方法的连续体结构选材优化设计的方法研究。针对连续体结构选材优化设计是离散变量的优化问题，基于ＧＳＦＰ插值格式对离散优化问题进行连续化，建立了以结构质量为约束，以结构刚度为目标的优化模型。该优化模型可以采用梯度优化方法求解，提高了计算效率。设计结果表明：与初始设计相比，在相同质量下，优化

5、结果的刚度性能有大幅度的提高。设计结果验证了方法的有效性。（２）考虑强度的连续体结构选材与拓扑协同优化设计的方法研究。将结构拓扑优化与选材设计相结合，研究建立基于ＧＳＦＰ方法的材料选择与结构拓扑协同设计的优化模型。该模型能够综合考虑结构的质量、造价、强度和刚度等多种性能。利用具有极小，并将该弱材料作为可选材料刚度的弱材料描述孔洞；设计材料描述参数在空间的分布实现结构布局以及与结构拓扑的协同设计。设计实例表明：基于ＧＳＦＰ方法的结构的选材与拓扑协同优化设计可以得到清晰的多相材料拓扑结构且多相材料结构的结构性能一比单，材料结构的性能好；当候选

6、材料种类增加时可以得到性能更好的解；协同设计时强度设计的优化结果可以缓解结构的应力集中现象，而刚度设计不能。（３）基于选材与拓扑协同的飞机主承力铁合金结构长寿命设计。以飞机主承力铁合金结构为设计背景，对其进行选材设计和协同设计，根据优化结果提出新的多材料设计方案并评价其结构性能。结果表明：选材优化得到的新方案与以高强度饮合金为初始，可以在结构寿命基本不变的情况下设计的相比，达到减少造价的效果协同优化得到；的新方案与以高强度铁合金为初始设计的相比，可以在牺牲较小刚度的情况下，明显的减少结构的重量和造价，同时提高结构的疲劳寿命，达到轻量化、低成本和高寿命

7、的目的。：ＧＳＦＰ方法关键词；选材设计；拓扑优化；协同设计；强度设计；疲劳寿命小基于ＧＳＦＰ方法的连续体结构的选材与拓扑协同优化设计ＴｈｅＣｏｎｃｕｒｒｅｎｔＯｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｎｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｇＴｏｐｏｌｏｇｙＢａｓｅｄｏｎＧＳＦＰＭｅｔｈｏｄＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｍｗａｒｔｈｅｈｉｈｅｒｄｅｓｉｎｒｅｕｉｒｅｍｅ