摘要：随着电动汽车动力性与集成度的不断提升,电控功率模块热负荷问题日益突出,这对功率模块的热管理技术提出了更高的要求。功率模块液冷板的拓扑优化设计因其高换热量、低压降损失等特点,正在成为实现高热流密度散热的关键技术。为此,本文基于密度拓扑方法,构建了功率模块液冷板流道结构拓扑优化设计模型,通过流动与传热多物理场耦合,对液冷板的流道进行多目标拓扑优化设计。结果表明,基于拓扑优化的液冷板设计呈现出多层级仿生流道结构,该结构显著降低了压降损失,并提高了散热能力。与基准的传统翅片式液冷板结构相比,拓扑优化后的流道结构压降损失降低72.8%,液冷板最高温度降低33.28 K,为车用电控功率模块高性能液冷板提供了新的设计思路。

摘要：针对某大型无人机机身轻量化需求,以选区激光熔化(Selective laser melting, SLM)制造的承载接头结构为研究对象建立有限元模型,基于ANSYS Workbench计算接头结构在不同极限工况下的强度、刚度性能,并根据材料最大许用应力准则进行校核.采用拓扑优化变密度法,以应力最小化为目标、保留质量40%为响应约束,对接头结构进行拓扑优化,根据优化结果设计两种重构方案并进行静力学验证.结果表明,两种模型重构方案分别减重了13.8%和13.3%,在轻量化程度相近的情况下,方案Ⅱ明显具有更小的应力分布以及变形程度,即最优重构方案成功实现轻量化设计,与原结构件相比质量减轻13.3%,且相较于其他方案承载能力最强,满足静态结构设计要求.为大型无人机承载接头结构实现低成本、轻量化的结构设计探索了新的途径.

摘要：在常规的声子晶体拓扑优化中,内层的多波矢特征值分析和外层的单胞布局设计变量寻优构成双层嵌套问题,两个层次嵌套式迭代求解导致三维拓扑优化设计面临计算量剧增的难题。为提高优化设计的效率,将用于结构固有频率优化问题的分析与设计序列迭代的思想拓展至三维声波声子晶体的拓扑优化,通过将内层特征值问题转化为单次逆迭代获得拓扑优化中间结果对应的逐次近似能带结构,并根据优化结果进行参数化建模以研究三维声子晶体拓扑优化解的带隙特性。通过参数化扫掠,给出了不同参数下的相对带隙和带隙上下界。进一步总结了不同参数对声子晶体带隙的影响,为三维声波声子晶体构型设计提供指导。

摘要：随着压电柔顺机构在航空航天及精密加工等高频振动环境中的广泛应用,亟需发展大行程、高频响压电柔顺机构的拓扑优化方法.现有的拓扑优化方法侧重于提高柔顺机构的输出行程,而忽略了其动态特性.文章提出一种考虑基频约束的压电柔顺机构拓扑优化方法.首先,为了更准确地描述压电驱动器与柔顺机构间的相互作用,将压电驱动器直接耦合进柔顺机构的优化分析模型中,建立了压电柔顺机构机-电耦合优化分析模型.其次,以输出位移为目标函数,基于变密度法,建立了考虑结构基频约束的压电柔顺机构拓扑优化方法.采用p-norm凝聚函数来近似结构基频,避免了迭代过程中特征值重复和模态切换所引起的不可导问题,并利用伴随法和链式求导法推导了目标函数和基频约束对设计变量的灵敏度.最后,通过数值算例验证了所提优化方法的有效性,讨论了基频约束对优化结果的影响.数值算例结果表明,所提方法迭代过程快速,收敛性好,能够在满足基频约束的前提下,实现输出行程最大化的设计.与仅考虑柔顺机构输出位移的优化结果相比,采用本文提出的方法所得优化构型的材料分布明显不同,且随着基频约束的增大,优化构型的基频相应变大,而输出位移变小.

摘要：双稳态机构由于其独特的特性,在可展开机构、微开关领域被广泛运用。对于双稳态机构,其抗干扰能力是至关重要的,最大和最小反作用力是决定机构抗干扰能力的关键参数。为提高双稳态机构的抗干扰能力,以最大和最小反作用力为优化目标,使用拓扑优化的方法将两端固支的梁结构设计成双稳态机构。通过数学软件MATLAB与仿真软件ABAQUS相结合进行拓扑优化。拓扑优化过程中由于非线性拓扑优化灵敏度分析难以提取,使用灵敏度的近似表达。为防止在有限元分析过程中出现不收敛的情况发生,在单元中添加超弹性的附加材料。使用有限元仿真提取优化目标力位移响应以及敏度近似表达式所需要的单元应变能。通过有限元分析和实验研究,证实了该拓扑优化设计方法的有效性。

摘要：研究并探讨了基于应力的双向渐进结构拓扑优化(BESO)法在修正偶应力弹性理论中的应用.该方法允许对尺寸问题相关的微观结构均质连续体进行拓扑优化.其通过引入一种与尺寸相关的,基于修正偶应力理论的,非经典等效应力的新颖公式,对经典的BESO技术进行了扩展,并在体积约束的条件下进行应力最小化设计.设计变量的迭代更新依赖于灵敏度分析,其涉及对目标函数p范数全局应力的直接求导.理论中涉及高阶弹性,因此为了满足有限元实现时需要的C1节点连续性,在插值中将传统的Lagrange插值与一个含待定系数的插值函数相结合.通过三个不同的数值算例,分析了尺寸效应对应力优化设计过程及结果的影响.同时探讨了其他参数包括范数p值和材料体积分数的作用.获得的研究结果证明了所提出的基于应力的BESO方法在涉及尺寸效应相关的拓扑优化设计方向的潜力.

摘要：为提高机床关键基础大件立柱的综合性能,通过振动噪声测试分析系统,开展不同方向上某机床立柱的敲击测试实验,以得到其全部模态。在实验结果分析基础上,利用Abaqus软件进行面向筋板布局的立柱多目标拓扑优化分析。根据分析结果,修整并重构新的立柱筋板布局。优化前后立柱有限元分析对比显示,其质量减轻10.09%,最大变形量减少5%,固有频率亦有一定程度提升。优化结果表明所进行的工作,既减轻了立柱整体质量,节省了立柱工程用料,又在一定程度上提升了其动静态性能。

摘要：进气道是冲压发动机的重要部件之一,其强度与刚度对于冲压发动机稳定性至关重要。为降低发动机消极质量并优化发动机设计,本文以某进气道为研究对象,在满足进气道变形和承载要求的基础上进行进气道薄壁结构减重设计。对进气道进行静力校核,根据进气道在4种工况下的初始强度校核结果确定优化设计域,结合点阵结构,同时考虑加强筋布局优化与加强筋尺寸优化,运用变密度拓扑优化方法,采用主级加筋结合局部点阵加筋填充的优化方案对进气道进行了优化设计。利用有限元软件进行优化前后强度、刚度、稳定性校核,优化后进气道结构质量减少了8%,稳定性增强,整体刚度分布更好,实现了进气道的减重与结构设计空间的扩展,证明本文采用的优化方法可行性。

摘要：为了使柔顺机构构型与压电驱动分布同时达到最优,并满足工艺制造要求,提出考虑最小尺寸约束的内嵌可移动压电驱动柔顺机构拓扑优化设计方法。采用独立点密度插值模型描述主体结构的材料分布,利用水平集函数表征任意形状的内嵌可移动压电驱动器,通过结构指示函数识别实体和空相材料,采用滤波阈值技术控制主体结构的最小尺寸。同时建立非重叠约束以保证压电驱动器在优化过程中不与设计域边界发生重叠,并以柔顺机构的输出位移最大化为目标函数,建立独立点密度插值水平集联合拓扑优化模型,利用移动渐近线法求解拓扑优化问题。数值算例证明所提方法可以有效地同时优化主体结构和压电驱动器的位置分布,并满足最小尺寸要求。

摘要：BV500型可控震源振动器在川渝地区作业过程中,由于平板设计不合理,导致振动能量下传率低、激发信号畸变严重。因此,引入连续体拓扑优化方法,采用固体各向同性材料惩罚(Solid Istropic Material with Penalization,SIMP)模型变密度法,从降低质量和增加刚度两个方面对BV500型可控震源振动器平板进行优化设计,创新研制了一种“八边形工字钢-20a”平板。优化后平板质量减轻了45.29%,平板刚度提升了79.92%,并开展了优化前后平板激振性能研究。仿真研究结果表明,与原铝合金整体平板相比,“八边形工字钢-20a”平板的能量下传率提高了15.11%,地表接触中心点位移振幅增大了43.74%,互作用力振幅提升了40.56%。现场实验表明,“八边形工字钢-20a”平板激振时,检波器近场信号平均振动速度有效值提升了22.23%,检波器远场信号平均振动速度有效值提升了39%,规律与可控震源道路激振数值仿真模拟结论一致。“八边形工字钢-20a”平板激振性能优于原铝合金整体平板,有效改善了BV500型可控震源在川渝地区道路激振效果。