摘要：箱型结构内部加强筋布局及支撑位置对结构性能有重要影响。提出一种箱型结构加强筋分布及支撑位置协同优化设计方法,引入独立的支撑单元和加强筋基结构,建立箱型结构加强筋和支撑位置协同优化数学模型。通过自适应成长法对箱型结构进行加强筋优化设计,基于双向渐近结构优化方法对支撑位置进行优化,得到最优的加强筋分布和支撑位置。结果表明,相比于已知支撑位置的加强筋优化设计,协同优化得到的支撑位置和加强筋分布具有更优的力学性能。

摘要：The application of the adaptive growth method is limited because several key techniques during the design process need manual intervention of designers. Key techniques of the method including the ground structure construction and seed selection are studied, so as to make it possible to improve the effectiveness and applicability of the adaptive growth method in stiffener layout design optimization of plates and shells. Three schemes of ground structures, which are comprised by different shell elements and beam elements, are proposed. It is found that the main stiffener layouts resulted from different ground structures are almost the same, but the ground structure comprised by 8-nodes shell elements and both 3-nodes and 2-nodes beam elements can result in clearest stiffener layout, and has good adaptability and low computational cost. An automatic seed selection approach is proposed, which is based on such selection rules that the seeds should be positioned on where the structural strain energy is great for the minimum compliance problem, and satisfy the dispersancy requirement. The adaptive growth method with the suggested key techniques is integrated into an ANSYS-based program, which provides a design tool for the stiffener layout design optimization of plates and shells. Typical design examples, including plate and shell structures to achieve minimum compliance and maximum bulking stability are illustrated. In addition, as a practical mechanical structural design example, the stiffener layout of an inlet structure for a large-scale electrostatic precipitator is also demonstrated. The design results show that the adaptive growth method integrated with the suggested key techniques can effectively and flexibly deal with stiffener layout design problem for plates and shells with complex geometrical shape and loading conditions to achieve various design objectives, thus it provides a new solution method for engineering structural topology design optimization.

摘要：将自适应成长法应用到周期性加筋结构的拓扑优化设计中,以结构的应变能最小为目标,以加强筋截面积为设计变量,并构建拓扑优化设计模型。为保证优化结构可得到周期性最优拓扑形式,在优化数学模型中加入了周期性约束,并引入敏度过滤函数解决数值不稳定等问题。典型工程结构设计案例表明,提出的方法在周期性加筋结构设计中可得到形态清晰的筋条布局,且设计效率高、适用性广。同时利用所提方法模拟荷叶叶脉生长,获得了与自然界荷叶叶脉相似的布局形态,表明自然界荷叶叶脉分布能使荷叶在承受雨雪等自然载荷作用下的整体刚度最大。

摘要：合理的散热通道分布是提高小空间大热流密度传热结构散热性能最有效的手段。针对现有传热结构拓扑优化设计结果形态过于复杂,存在棋盘格、灰度单元等数值不稳定现象,提出一种基于基结构的散热通道分布的自适应拓扑优化方法。研究了适用于传热结构拓扑优化问题的基结构构建技术,建立满足库恩-塔克(Kuhn-Tucker,KKT)最优准则条件的迭代公式;以散热弱度最小为优化目标,以杆单元截面积为设计变量,对典型的二维和三维设计问题进行散热通道分布设计,并将设计结果与COMSOL软件优化结果进行对比。研究结果表明,提出的传热结构自适应拓扑优化方法产生的散热通道形态简单清晰,能满足散热性能,且优化过程收敛速度快,克服了现有优化方法产生的数值不稳定问题。

摘要：自适应成长法是基于自然界分支系统形态形成机理的一种高效结构拓扑优化设计方法。通过引入等效静态载荷法理论,运用自适应成长法解决板壳加筋结构在承受动载荷激励下的动态响应拓扑优化设计问题。根据板壳结构所受的动载荷边界条件,构建以动柔度为目标的优化数学模型,推导迭代公式,使板壳结构的加强筋从"种子"开始,沿着使结构最佳力学性能方向成长,从而形成最优加强筋分布形态。研究在简谐载荷和冲击载荷作用下的板壳结构加强筋设计例,并与静态载荷作用下的设计结果进行比较。研究结果表明,板壳结构在动态载荷作用下,其主加强筋布局形态和在静态载荷作用下相同,但在靠近载荷作用点附近出现与主加强筋平行的截面积较小的加强筋,以增加抵抗动态载荷的作用;而冲击载荷作用下的加强筋与一般简谐载荷作用下的加强筋相比,多出一层较复杂的框型筋板抵抗瞬时冲击力。

摘要：对机床进行优化的结构构型设计,使得材料在机床结构空间内更加合理地分布和有效地利用,一直都是机床设计工作者追求探索的目标。论述机床构型和结构件轻量化设计的研究历程和技术发展,对机床结构轻量化设计中常用的现代设计方法:参数优化、结构拓扑优化、多方法综合结构设计、仿生优化设计方法进行具体技术介绍和综合评述,并对近年兴起的仿生优化设计方法进行从方法、实现手段和轻量化效果等方面重点分析和评述,对机床构型和结构件轻量化设计研究的未来发展提出展望。

摘要：自适应成长技术是一种基于自然界分枝系统形成机理的结构拓扑优化设计方法。现有的自适应成长技术采用启发式的寻优迭代公式,设计结果一定程度上依赖于待定参数的取值,且不收敛于体积约束。针对自适应成长技术的不足,基于卡罗需-库恩-塔克(Karush-Kuhn-Tueker condition,KKT)最优准则条件,建立相应的优化准则和寻优迭代公式。以最小柔度为设计目标,以加强筋的截面积为设计变量,对典型板壳结构在单工况和多工况下的加强筋分布分别进行了设计。设计结果表明,提出的方法克服了现有自适应成长技术的局限性,可得到清晰分布的加强筋布置,适用于各种工况下的板壳结构加筋分布优化设计。

摘要：以换热量最大为目标进行液冷通道分布优化设计,构建拓扑优化设计数学模型,采用霍尔姆兹偏微分方程形式的密度过滤避免拓扑形态出现棋盘格现象;同时,采用双曲正切投影方法以得到清晰的流体通道拓扑形态。对不同进出口布置的典型算例进行优化设计,设计结果与传统直通道比较,通过有限元数值模拟,以最高温度为评价指标,对比各进出口布置的拓扑优化通道与传统直通道的散热性能。仿真结果表明,拓扑优化通道比直通道的最高温度低,且采用垂直对角出入口布置散热性能最佳。进一步制作液冷板,通过试验验证了设计方法的有效性及数值模拟的准确性。

摘要：将自然界植物根系的形态形成机理应用于加筋薄壳结构加强筋分布设计方法的研究。将加筋薄壳结构加强筋的分布看成一个逐渐形成的过程,则此过程应能自适应于一定的工作条件,使结构逐步趋向具有最佳力学性能的最优结构,这样的过程和自然界中植物根系的形态形成过程具有一定的相似性。在对植物根系形态形成机理进行探讨的基础上,建立基于形态形成机理的加筋薄壳结构加强筋设计准则,即为了得到最小柔顺度结构,结构上的加强筋应沿着结构的应变能相对于加强筋断面积的设计灵敏度大的方向成长,且成长速度也与设计灵敏度成比例。以加筋薄壁圆柱壳结构为例进行加强筋的分布设计,用有限元法对设计结果进行验证。结果表明,提出的利用植物根系形态形成机理的结构拓扑优化设计方法比现有的方法简单高效,并且由于其设计结果是符合工程习惯的清晰加强筋分布,而不是模糊的密度分布,更有利于结构拓扑优化技术的实际应用。设计结果可作为进一步详细设计的初始优化模型。

摘要：为使大型电除尘器烟箱结构的力学性能好且质量小,根据烟箱的结构特点,提出了综合应用结构拓扑优化和尺寸优化进行优化设计的方法。首先针对烟箱结构的加强筋分布,采用自适应成长技术,使加强筋如同植物根系一样,沿着使其结构刚度最大的方向成长;然后针对得到的具有最优分布加强筋的烟箱结构,采用尺寸优化方法,以质量最小为目标,对其进行优化设计。设计结果表明,所提出的方法对电除尘器烟箱的优化设计有效,优化设计后的烟箱结构与传统烟箱结构相比,在质量减小7.00%的条件下,结构整体刚度提高了7.53%。