周期性圆环结构的拓扑优化设计.pdf

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1、机械设计与制造第1O期12MachineryDesign&Manufacture2014年10月周期性圆环结构的拓扑优化设计孙士平，刘宇锋(南昌航空大学航空制造工程学院，江西南昌330063)摘要：基于拓扑优化方法开展了周期性圆环结构的构型优化设计，分析了不同载荷工况下不同子结构数、内外半径比和内外蒙皮厚度对优化结果的影响规律。结果表明：周期性圆环结构具有明显的尺寸效应；相同体分比下，子结构数较少时优化结构刚度较高，但优化构型变动大；随着子结构数增多，结构刚度减弱并趋于极限值，优化构型稳定不变且受

2、内外半径比和蒙皮厚度变化影响很小；而不同工况下，可忽略尺寸效应的临界子结构数存在差异，蒙皮厚度变化对结构效率的影响不同。关键词：拓扑优化；圆环结构；周期结构；尺寸效应中图分类号：TH16；TB303文献标识码：A文章编号：1001—3997(2014)10—0012—03TopologyOptimizationDesignofPeriodicalRingStructure’SUNShi-ping，LIUYu-feng(SchoolofAeronauticalManufacturingEnginee

3、ring，NanchangHangkongUniversity，JiangxiNanchang330063，China)Abstract：Topologyoptimizationdesignofperiodicalringstructure∞carriedoutandtheinfluenceofthenumberofsub—structures，theratioofinnertoouterradiusandskinthicknesson~timizationresultswasinvestigat

4、ed．Theresuhsshowedthatthenumberofsub-structureshassignif．：~tsizeeffectonperiodicringstructure．Forsolrtevolumefraction，theoptimalconfigurationofringstructurewithhigherstiffnesshasobviouslyefectedbythesmallnumberofsub-structures．Andwiththenumberofsub-st

5、ructureincrease，thestifnessofringstructureisimpairedtoclosetolimitandtheefectoftheradiusratioandskinthicknessonoptimallayoutsVanbeignored．Fordifferentloadings，thecriticalnumberofsub-structuresthatidentifythesizeeffectnegligiblehasdiferencesandtheeffec

6、tofskinthicknessvariationonstructuralefwieneyisdiferent．KeyWords：TopologyOptimization；RingStructure；PeriodicalStructure；SizeEfect1引言径为R，厚度为，载荷为F，三种工况分别为切向载荷工况、法向载荷工况和任意载荷工况。圆环结构由多个构型相同的子结构旋转循环拼接而成，工程中广泛用作环形圆盘、夹芯承力筒、调节环等圆形构件型式，具有循环对称特征和良好的可十陛。圆环结构的性能不仅

7、依赖于子结构构型，还与子结构数目密切相关，许多学者结合设计理论和工程应用，开展了园环结构的拓扑优化设计研究，如文献Ⅱ喵先采@⑥用周期性条件实现了圆环刚度最大化的拓扑优化设计，文献闭对(a)切向载荷工况(b)法向载荷工况(c)任意载荷工况圆环夹芯结构拓扑构型开展了尺度关联的一体化设计，文献目采图1圆环结构及载荷示意图用BESO法并考虑网格非一致性对圆环结构进行了优化，文献Fig．1SchematicsofRingStructureandLoadings基于遗传算法开展了圆柱壳结构的多目标拓扑优化，文

8、献田院了假如周期性圆环包含m个构型相同的子结构，子结构设计旋转离心力载荷下的圆环结构与材料的协同设计，文献睬用ESO域U=1，m)离散为n=npXn个有限单元，如图2所示。对应单元方法开展了车轮毂的拓扑优化设计。以圆环结构为对象，基于前期的伪密度变量为(i=l，n)，采用变量关联技术，各子结构相同位工作研展l了三种典型工况下的圆环结构拓扑优化设计，比较分置单元伪密度变量保持相同，即⋯=⋯m，则最小化圆环析圆环子结构数目、内外径比值、内外蒙皮厚度变化对圆环优化结构柔顺度的拓扑优化数学