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59200字硕士毕业论文即时响应约束的构建拓扑改进方法及软件构建研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:59200字
论点:结构,结构优化,响应
论文概述:

本文研究了动响应约束下结构重量最小的结构拓扑优化模型化技术与优化设计方法,并通过对所提方法编写优化程序实现了典型结构的仿真计算。该方法主要工作有:(1)基于渐进结构优化思想,

论文正文:

第一章绪论

1.1工程背景

结构优化设计是指工程结构在满足各种规范或特定要求的情况下,根据预定目标寻找最优方案的设计方法。传统的结构设计首先依靠经验和判断来制定结构的初始方案,然后进行结构分析,最后在力学分析的基础上检验其可行性。如果结构不符合要求,需要手动调整结构参数,进行力学分析和再次检查,反复修改,直至找到更好的设计方案。这种设计方法中,结构分析只是在寻求其安全性和可行性时起到了检验作用,而大多数结果只是一种可行的设计方案,而不是一种优化的设计方案。设计周期长,成本高。随着科学技术的不断发展和进步,这种设计方法远远不能满足现代结构发展的要求。这是因为目前的结构越来越复杂,重量越来越轻。此外,许多结构没有成熟的先例可供借鉴,很难做出合理的经验设计。近年来,由于计算机技术、有限元理论等相关学科的快速发展,力学尤其是结构力学的研究方向发生了重大变化,研究范围也有所扩大。现代技术与理论设计相结合的“综合结构”是现代结构设计发展的重要方向。现代结构优化设计是指利用计算机作为工具,结合非线性数学规划理论和结构分析方法,调整结构设计参数,使设计的结构满足各种约束条件,同时结构评价指标达到最优的自动设计。因此,长期被动结构分析已被主动结构优化设计所取代。
结构优化设计可以缩短产品设计周期,提高设计质量。然而,只有开发一个方便而强大的结构优化程序系统,先进的理论才能应用于工程实践。在最初的结构优化软件中,一个流行的程序是TSO程序(WASP),它是专门为解决受气动弹性约束的飞机机翼和尾翼结构的概念设计而开发的。从那时起,已经有了大量用于特定目的的结构优化计划。例如ACCESS、DDDU等。然而,由于基于特殊结构分析程序的结构优化软件缺乏通用性,自20世纪90年代以来,人们开始利用现有的通用结构分析有限元软件开发结构优化软件。其中包括NASTRAN、ANSYS和ABAQUS。由于这些软件具有良好的通用性和较强的结构分析能力,结构优化工作者热衷于先用有限元软件进行结构分析,然后结合自己编写的灵敏度分析和优化算法程序来实现结构优化。此外,一些结构优化工作者也致力于开发独立的结构分析和优化集成软件。例如,钱灵喜开发了基于混合法的DDDU结构优化程序系统,谢一民开发了BESO结构双向渐进优化程序系统。工业对结构优化的需求也促使商业通用结构分析程序的开发者将优化功能添加到他们自己的程序中。简而言之,自结构优化的概念提出以来,通过各方的努力,结构优化的应用已经从航空空、航空航天和汽车工业扩展到更多的工程领域。
20世纪60年代,动态设计在80年代和90年代开始兴起并发展到一定程度。近年来,对结构动力设计的需求越来越迫切。工程中各种实际结构经常受到动载荷的作用,风振和车辆振动导致桥梁损坏的情况较为常见。据统计,高达40%的飞机事故是由振动引起的。汽车产生的振动和噪声严重影响了汽车的舒适性,甚至成为许多汽车安全事故的根源。为了保证结构在动荷载作用下能够正常工作,并保证其在整个使用期内的安全性和可靠性,有必要设计一种满足动力响应要求的结构。结构动态拓扑优化是通过调整结构布局来提高结构的动态性能,达到节约材料的目的。因此,考虑随机动力响应要求的结构拓扑优化问题在工程中极其重要。然而,由于结构动力响应是结构设计参数的隐式复合函数,目标具有高度非线性和复杂性的特点,使得动力响应的计算、灵敏度分析和最优解的求解变得困难。迄今为止,动力响应优化设计的研究方向发展相对缓慢。
结构分析是结构优化中一个非常重要的环节。主要采用有限元分析方法。此外,由于计算机的强大工具,软件开发是许多结构优化工作者关注的焦点之一。一方面,优化设计理论的产生和发展与计算机技术的发展密切相关。只有通过程序的实施,好的设计思想和方法才能充分发挥其作用。另一方面,该优化方法实际应用于解决实际工程问题,不仅具有重要的实际应用价值

2.3随机激励响应的平均值……18-19[/ BR/] 2.3.1回应……18[/比尔/] 2.3.2响应协方差……18-19 [/BR/] 2.3.3自营职业……响应[的19/Br/]2 . 3 . 4均方响应……19
2.4本章概述……19-20
第三章基于ABAQUS的方案……20-43
3.1导言……20
3.2基于ABAQUS平台的计划……20-29
3.2.1阿巴昆士二级开发……21-24
3.2.2二级发展实施原则……24-28
3.2.3规划……28-29[/比尔/] 3.3基于位移约束的结构延伸……29-36 [/BR/] 3.3.1元素拓扑变量和……29-30
3.3.2交叉口……30-36 [/BR/] 3.4可变位移约束示例……36-42 [/BR/] 3.4.1延期……仪表36-38
3.4.2工字梁结构的拓扑结构优于……38-40[/比尔/] 3.4.3延期……40-42 [/BR/] 3.5本章概述……42-43
基于动力响应约束的第四章连续体结构……43-68[/比尔/] 4.1导言……43[/比尔/] 4.2元素拓扑变量和变换……43-45[/溴/] 4.2.1元素拓扑变量……43-44
4.2.2过滤功能的结构……44-45[/比尔/] 4.3比……45-54 [/BR/] 4.3.1交叉口……45-46 [/BR/] 4.3.2……46-48 [/BR/] 4.3.3动态响应……白噪声激励下的48-52

为了将先进的优化理论应用到十大工程实践中,缩短设计周期,提高设计质量,本文基于ABAQUS对结构优化进行了二次开发。二次开发的主要工作包括:1 .利用ABAQUS强大的预处理和后处理功能建立模型并显示结果;(2)用Python语言编写脚本文件,提取结构模型的有益信息,为结构优化软件的开发做技术准备;(3)通过自编结构优化程序实现自动循环迭代。
本文研究了动态响应约束下结构重量最小的结构拓扑优化建模技术和优化设计方法,并通过编写优化程序实现了典型结构的仿真计算。该方法的主要工作如下:(1)基于渐进结构优化的思想,采用变响应约束极限法,约束函数的显式表达近似有效。(2)通过分析动态结构优化中局部模态产生的原因,采用伪密度方法引入合理的合理近似材料属性模型(RAMP),删除低密度元素,从而消除动态设计中容易出现的局部模态。(3)建立了一套小区删除策略,实现了设计空之间的自动调整。(4)在结构的孔洞和边界周围引入一层人工材料单元,以减轻优化迭代过程中的振荡问题。