基於結構全局回響約束的連續體結構拓撲最佳化方法研究

《基於結構全局回響約束的連續體結構拓撲最佳化方法研究》是依託北京航空航天大學，由陳珅艷擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於結構全局回響約束的連續體結構拓撲最佳化方法研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：陳珅艷
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

複雜結構系統中局部構件的連續體結構拓撲最佳化設計對數學建模和算法提出了一系列的難點問題，現有方法與套用需求相比尚有較大距離，在處理依賴於設計域邊界形狀的拓撲相關載荷和消除棋盤格式等不穩定性等方面需要進一步探索和創新。本課題將針對包含設計域和非設計域的組合結構，研究基於結構全局回響約束的連續體結構拓撲最佳化模型化方法和數值求解方法，同時研究最佳化過程中的數值不穩定性問題，並基於通用有限元軟體進行二次開發。本課題擬基於變密度法建立拓撲最佳化模型，採用基於多點近似和對偶規劃的二級多點逼近最佳化算法進行結構拓撲最佳化計算，形成尋優能力強、工程實用的拓撲最佳化新方法。在數值模擬方面，將針對包含二維和三維連續體的組合結構的多點位移約束、基頻下限約束和指定頻率約束拓撲最佳化問題進行研究。該項目的研究對於結構最佳化理論深度、套用廣度起著積極的推動作用，具有重要的理論意義和工程套用價值。

結題摘要

由於減重是太空飛行器結構設計的重要目標，本項目針對重量最小化拓撲最佳化問題進行研究。基於變密度法建立了拓撲最佳化模型，針對包含設計域和非設計域的組合結構，研究面向結構全局回響約束的連續體結構拓撲最佳化模型化方法和數值求解方法。項目研究中採用基於多點近似和對偶規劃的二級多點逼近最佳化算法進行結構拓撲最佳化計算，結構分析調用通用有限元分析程式Natran，通過對有限元前後置處理平台Patran的二次開發，建立了新型連續體拓撲最佳化軟體，形成本項目的研究平台和數值計算工具。在建立該軟體的過程中，研究並解決了一系列關鍵問題，包括靜力學約束的敏度分析、動力學約束的敏度分析、動力學約束的模態識別、局部模態消除、敏度過濾、拓撲最佳化建模前後置處理等等，形成了尋優能力強、工程實用的拓撲最佳化新方法和計算工具，可解決包含二維和三維連續體的組合結構的多點位移約束、基頻下限約束和指定頻率約束拓撲最佳化問題。目前本系統已套用於工程實際，達到了滿意的輔助工程結構設計效果。後期項目組成員還對二級多點逼近最佳化算法進行擴展套用研究，在桁架結構尺寸、形狀和拓撲綜合最佳化和複合材料鋪層順序最佳化問題上獲得了有價值的研究成果。本課題共錄用和發表科研論文14 篇，其中SCI 檢索論文6篇，EI 檢索論文2篇, 軟體著作權4項，培養博士和碩士生11名，超額完成了預期研究任務。