当期目录

    2022年 第33卷 第23期    刊出日期:2022-12-10
    上一期   
    版权页和目次
    版权页和目次
    2022, 33(23):  0. 
    摘要 ( )   PDF (332KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    整期PDF
    新一代智能设计专辑
    2022, 33(23):  1. 
    摘要 ( )   PDF (119417KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    序言
    《新一代智能设计专辑》序言
    2022, 33(23):  2773. 
    摘要 ( )   PDF (653KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    拓扑优化基础理论
    含自重载荷的功能梯度材料结构时域动力学拓扑优化设计
    文桂林, 陈高锡, 王洪鑫 , 薛亮, 魏鹏, 刘杰,
    2022, 33(23):  2774-2782.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.001
    摘要 ( )   PDF (9631KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    提出了一种含自重载荷的功能梯度材料(FGM)结构时域动力学拓扑优化设计方法。在固体各向同性材料惩罚(SIMP)框架下,提出了一种针对FGM-SIMP的结构自重载荷分布策略。以FGM结构动柔度最小为优化目标、以结构体积为约束,建立了动力学结构优化列式。基于伴随法,在时域内进行了灵敏度推导,并用移动渐近线方法进行求解。通过二维和三维典型数值算例系统研究了含自重载荷下FGM结构的拓扑优化设计问题,并深入探讨了自重载荷和材料梯度分布方向对结构优化结果的影响,发现自重载荷和材料梯度分布方向对FGM结构的优化构型和动刚度具有很大影响。最后,以均一材料(FGM的特例)为例,通过数值仿真和实验测试方法验证了所提方法的有效性,并证实了所提方法可有效提高结构的固有频率和结构动刚度。
    约束阻尼板双线性材料插值法拓扑动力学优化
    贺红林, 赵伟鹏, 余志豪, 龙玉繁, 鄢殷期, 李冀
    2022, 33(23):  2783-2789,2878.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.002
    摘要 ( )   PDF (7838KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为减小阻尼板质量并提高减振性能,研究了结构动力学优化技术。构建了以移动常数与模态损耗因子差值为目标、阻尼层单元密度为拓扑变量、阻尼层体积用量及振动模态频率为约束的阻尼板优化模型。利用序列凸规划法构造目标函数的凸性逼近式,采用拉格朗日乘子法解算逼近函数,以获取全局优化的阻尼层布局。利用模态损耗因子与模态应变能的本构关系推导目标函数关于拓扑设计变量的灵敏度,基于K-T条件构造拓扑变量迭代式。引入双线性插值函数惩罚拓扑变量并使其值聚集于0或1,编写并实现了悬臂阻尼板优化程序。当阻尼层体积用量控制在50%时,1阶模态损耗因子增大52.29%,灰度单元占比1.78%。阻尼板谐响应分析表明优化构形具良好减振特性。双线性插值优化既能充分发挥阻尼层的耗能效力又可大幅减少灰度阻尼单元数。
    Gyroid结构力学性能及数值收敛性研究
    蒋创宇, 张保强, 陈云, 王存福, 罗华耿, 胡杰翔, 曹龙超
    2022, 33(23):  2790-28000.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.003
    摘要 ( )   PDF (14171KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为了更好地揭示三周期极小曲面(TPMS)结构设计与力学性能参数之间的对应关系,研究了螺旋二十四面体Gyroid结构(GCS)不同网格参数的数值收敛性和不同排列方式的力学性能。设计了体积分数和胞元尺寸固定的GCS试件;基于单元参数变化的体素化模型,使用有限元方法对GCS进行收敛性分析;通过试件拉伸试验验证了仿真的正确性;最后以拉伸和弯曲工况研究了GCS在不同排列形式时的力学性能差异。研究结果表明:仿真分析与试验之间的抗拉强度、极限载荷误差在1.5%以内;基于体素化方法,调整雅可比参数值可显著降低收敛时的单元数量。对变厚度GCS力学性能做了定量分析,拉伸工况中,针对4×4×4结构,其等效弹性模量沿厚度方向变化最大可达14.41%;弯曲工况中,针对20×4×4结构,等效弹性模量最大差距为21.25%。
    等几何拓扑优化
    Bézier单元刚度映射下的高效多重网格等几何拓扑优化方法
    丁延冬, 罗年猛, 杨奥迪, 王书亭, 朱浩然, 谢贤达
    2022, 33(23):  2801-2810.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.004
    摘要 ( )   PDF (6989KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    等几何拓扑优化方法采用CAD的B样条或者NURBS作为CAE未知物理场的形函数,有效避免了传统有限元拓扑优化由于拉格朗日基函数C0连续所带来的低精度问题。多重网格等几何拓扑优化技术可通过优化域的层间继承显著提高等几何拓扑优化的计算效率,但存在单元刚度矩阵消耗内存空间及预处理时间过长等问题。针对上述问题,研究了基于Bézier单元刚度映射的多重网格等几何拓扑优化方法,采用标准Bézier单元刚度矩阵与相应的Bézier提取矩阵进行任一层级任一B样条单元刚度矩阵的等效表达,进而实现多重网格等几何拓扑优化数据存储结构和预处理过程的优化。数值算例结果表明,相比于传统多重网格等几何拓扑优化模型,所提方法具有相同的优化收敛过程和优化结果,并显著地减小B样条单元刚度矩阵的存储空间并缩短预处理时间,验证了所提方法的有效性。
    一种自由度缩减和收敛加速的高效等几何拓扑优化方法
    杨雨豪, 郑伟, 王英俊,
    2022, 33(23):  2811-2821.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.005
    摘要 ( )   PDF (8570KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为提高等几何拓扑优化效率,提出了一种高效等几何拓扑优化方法,从自由度缩减和收敛加速两个方面对等几何拓扑优化进行加速。自由度缩减算法包括基于位移变化的自由度缩减和基于空单元的自由度缩减,收敛加速算法包括设计变量缩减和灰度抑制算法。二维和三维算例结果表明,所提出的高效等几何拓扑优化方法在保证优化精度的同时,相对于传统等几何拓扑优化方法的加速比为1.56~6.02,显著提高了等几何拓扑优化的效率,为产品结构的高效高质量设计提供了有力支撑。
    增材制造可成形设计
    面向增材制造的航空发动机外部系统支架拓扑优化设计
    孟亮, 仲明哲, 李文彪, 夏凉, 高彤, 朱继宏, 张卫红,
    2022, 33(23):  2822-2832.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.006
    摘要 ( )   PDF (8396KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    分析了严酷载荷工况下航空发动机外部系统支架的力学性能,以两种极限载荷工况下的支架柔顺度为目标函数,采用增材制造材料横观各向同性模型,开展了面向增材制造的外部系统支架拓扑优化设计与性能校核。金属激光增材制造样件的力学试验表明:面向增材制造的支架设计较初始结构质量减小约15%,刚度增大约20%,一阶固有频率提高约15%,结构强度显著增大。该方案实现了1个外部系统支架、2个管路支架和4颗铆钉的一体化增材制造,有效提升了发动机装配质量和效率,顺利通过地面静载和发动机点火试验。
    面向催化剂载体应用的TiO2多孔陶瓷结构优化设计
    邹无有, 杜纯, 艾建平, 单斌
    2022, 33(23):  2833-2843.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.007
    摘要 ( )   PDF (14670KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    周期性点阵结构的多孔陶瓷采用增材制造可有效解决传统粉末催化剂可回收性差和块状催化剂催化效率低的问题。由于结构特征参数与应用性能之间的复杂关系,周期性点阵结构的精确与快速设计仍是一个巨大的挑战。针对该挑战,构建了一套用于多孔陶瓷的仿真模型,采用3D打印技术成功制备了具有精细多孔结构的TiO2陶瓷样件,并通过实验实现了对仿真模型的验证和修正。在此基础上,采用单因素优化分析方法进一步探究了结构构成要素对性能的影响机制,选取角度a=153.4°、b=90°、c=45°作为最优参数设计了一种新型周期性点阵结构并进行了优化。对比结果显示,优化设计后的多孔结构的压降减小了57.2%,表面积增大了25.3%。该工作为扩展多孔陶瓷在催化剂载体领域的应用提供了一种新的结构设计方法。
    面向骨科植入物的仿生多孔结构设计与制造方法
    焦晨, 晁龙, 朱磊, 沈理达, 梁绘昕, 戴宁, 王长江, 孙骏
    2022, 33(23):  2844-2850.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.008
    摘要 ( )   PDF (8721KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    采用激光选区熔化及陶瓷光固化技术制备了具有多孔特征的金属骨支架与陶瓷骨支架,采用压缩试验评价了两种骨支架的力学性能,采用体外培养MC3T3-E1细胞的方式评估了骨支架的生物相容性。研究结果表明,支架不规则度和孔隙率的变化均会影响支架的力学性能与生物性能;金属支架具有更优良的力学性能,陶瓷支架具有更接近松质骨的力学性能;不规则孔隙有助于细胞附着,使骨支架具有更好的生物相容性。
    宏微观跨尺度设计
    基于子结构的宏微结构协同优化方法
    吴紫俊, 肖人彬
    2022, 33(23):  2851-2858.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.009
    摘要 ( )   PDF (2765KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    利用子结构自由度的缩减实现结构宏微观的一体化设计,需要预先建立不同子结构构型的样本。宏观结构优化时只能在预定的微观构型中插值,限制了结构宏微观的优化空间。结合子结构自由度缩减与反求理论,针对周期性结构的设计提出了结构的宏微观协同设计方法。利用固体各向同性材料惩罚(SIMP)方法和子结构方法,构建了基于子结构的周期性结构宏微观协同设计框架;分析了宏观结构与微观周期性单胞的材料体积变化关联关系,并给出了两个尺度上的惩罚因子、变量过滤半径等优化参数的匹配。在此基础上,结合传统的结构柔度最小优化模型,计算了设计变量在宏观结构、微观周期性结构的灵敏度值,实现了宏微结构的协同设计。通过悬臂梁结构的设计,验证了所提方法的有效性。
    不同梯度变化方式的不规则多孔结构设计与力学性能分析
    汤永锋, 路平, 刘斌, 江开勇, 颜丙功, 刘嘉伟, 韩伟,
    2022, 33(23):  2859-2866.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.010
    摘要 ( )   PDF (9383KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    基于Voronoi图设计了4种不同梯度变化方式的不规则多孔结构,通过光固化成形工艺制备了这4种梯度多孔结构。对这4种梯度多孔结构分别进行了纵向(载荷方向平行于梯度方向)和横向(载荷方向垂直于梯度方向)压缩实验,研究其变形特点和力学性能。结果表明,梯度多孔结构在横向压缩时的变形特点与均匀多孔结构相似,纵向压缩时则表现出逐层坍塌的变形特点。在孔隙率相近的情况下,不同的梯度变化方式能够影响纵向压缩时的力学性能,对横向压缩的力学性能基本没有影响。降低梯度多孔结构的平均孔隙率可以提高结构力学性能。最后通过等应力复合模型和Voigt模型预测了梯度多孔结构纵向和横向压缩的弹性模量,预测结果与实验结果的相对误差基本都在10%以内。
    梯度空心多孔结构优化设计方法
    田启华, 舒正涛, 付君健, 杜义贤, 周祥曼, 田磊
    2022, 33(23):  2867-2878.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.011
    摘要 ( )   PDF (9847KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对空心多孔结构参数化建模困难、承载性能不足的问题,提出了一种梯度空心多孔结构优化设计方法。将不同水平参数的I-WP(I-wrapped package)型三周期极小曲面进行布尔运算实现了空心多孔结构单胞的隐式建模,并基于数值均匀化法对该结构的等效弹性属性进行了评估。通过引入凸优化理论的仿射概念,构造混合水平集函数,实现了梯度空心多孔结构的参数化建模;以刚度最大化为目标函数,建立了基于混合水平集方法的梯度空心多孔结构拓扑优化模型,通过优化准则算法进行求解,得到了具有良好连续性的梯度多孔结构。对优化结构进行了有限元分析,并采用选择性激光烧结技术制造了模型样件,开展了力学实验。数值案例和实验结果表明,该方法可有效实现空心多孔结构的参数化设计,显著提高了多孔结构的承载性能。
    优化设计工程应用
    大跨度无支撑甲板拓扑-尺寸-材料联合优化设计
    崔宇朋, 余杨, 余建星, 李振眠,
    2022, 33(23):  2879-2887,2897.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.012
    摘要 ( )   PDF (8818KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    提出了一种加筋板概念-详细联合设计框架,以开展空间约束下的大跨度无支撑甲板刚度、变形及动态振动性能拓扑-尺寸-材料综合优化研究。应用加筋板拓扑设计域降维处理策略解决了大跨度甲板三维实体单元断连及计算效率低的问题。提出了兼顾迭代效率和逼近全局最优解的三段式延拓(TSC)法并应用于大跨度甲板的应变能、多工况位移及一阶动态频率的概念设计。通过480个加筋板刚度最大化算例证明了TSC法的有效性。提出了尺寸/材料一体化设计方法,并联合自动化技术对大跨度甲板概念结构进行了详细设计以便工程化制造,即曲形T形梁的截面尺寸、面板厚度及材料弹性模量组合优化。结果表明:与传统大跨度甲板相比,通过加筋板概念-详细联合设计框架高效获得的曲形大跨度无支撑甲板具备空间及性能(刚度、变形、动态振动)的双重优势。
    基于拓扑优化和Kriging模型的前中盾结构轻量化设计
    贾连辉, 李晓科, 袁文征, 何文斌, 廖兆锦
    2022, 33(23):  2888-2897.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.013
    摘要 ( )   PDF (12071KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    前中盾是盾构机的重要部件,其结构尺寸大、服役环境复杂,因此,在保证结构强度的前提下进行轻量化设计至关重要。针对某型号泥水平衡盾构机的前中盾,通过拓扑优化和尺寸优化实现轻量化。对现有前中盾结构进行拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果进行二次设计;针对二次设计后的前中盾结构,构建尺寸优化模型,利用正交试验和方差分析筛选出对性能响应(前中盾质量、最大变形和最大应力)影响较大的结构参数作为设计变量,并通过最优拉丁超立方采样和有限元分析获得45组样本点,由此构建设计变量-性能响应隐式关系的Kriging代理模型;通过序列二次规划算法对前中盾尺寸优化模型进行求解获得最优的尺寸参数组合。验证结果表明,前中盾经过拓扑优化和尺寸优化后,质量减小约30 t,降幅达3.1%。
    英文目次
    英文目次
    2022, 33(23):  2898. 
    摘要 ( )   PDF (419KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    上一期