理想材料零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計.pdf

1、理想材料零件是指按照零件的最佳使用功能要求來設計制造，由均質(zhì)材料、呈梯度變化的組織成分、按一定規(guī)律分布的細結(jié)構(gòu)材料甚至嵌入器件等構(gòu)成，實現(xiàn)材料組織結(jié)構(gòu)和零件性能最佳組合的零件。通過各組分材料之間的相互作用以及材料分布規(guī)律、幾何外形和宏觀性能的完美結(jié)合，滿足著產(chǎn)品對零件日益增長的性能要求，達到節(jié)約資源的同時，大大提高了零件的整體性能，在航空航天、生物醫(yī)學、機械電子等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。由于理想材料零件是典型按需要設計制造的非均質(zhì)材料零

2、件，傳統(tǒng)均質(zhì)材料零件的設計理論和制造方法已經(jīng)無法適用于理想材料零件，因此必須構(gòu)建新的理想材料零件設計理論與制造方法。 理想材料零件設計，是根據(jù)零件的功能要求，進行外部幾何拓撲形狀和內(nèi)部材料組織與細結(jié)構(gòu)的一體化(融合)設計，是理想材料零件數(shù)字化設計與制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本論文針對于此展開，分別探討了連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計和理想材料零件的材料優(yōu)化設計，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了理想材料零件設計方法并將其應用于定型模冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

3、本論文首先探討了基于無單元Galerkin法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。通過實例得到了無單元法Galerkin中權(quán)函數(shù)及其相關(guān)參數(shù)的選取原則。以積分網(wǎng)格的高斯點厚度為設計變量，分別進行剛性結(jié)構(gòu)、柔性機構(gòu)和具有復雜形狀工程零部件拓撲優(yōu)化，不僅方便了初始設計域的離散而且提高了設計結(jié)果的精度。將無單元Galerkin法與形狀優(yōu)化相結(jié)合，通過建立邊界輪廓變量與設計域內(nèi)節(jié)點坐標的映射關(guān)系，實現(xiàn)了設計域及其內(nèi)部節(jié)點的同步運動，徹底解決了形狀優(yōu)化過程中所出

4、現(xiàn)的網(wǎng)格扭曲問題。 在連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對孔洞的形狀實施約束，構(gòu)建了帶規(guī)則幾何約束的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型，提出了一種基于區(qū)間松弛策略的漸進優(yōu)化方法對模型進行求解。在此基礎(chǔ)上，得到了帶圓形孔洞約束的連續(xù)體結(jié)構(gòu)形狀和拓撲協(xié)同優(yōu)化設計方法。該方法解決了拓撲優(yōu)化過程中優(yōu)化變量之間難以建立幾何關(guān)聯(lián)的問題。 在理想材料零件設計域內(nèi)引入虛擬節(jié)點，并以虛擬節(jié)點的材料體分比分布規(guī)律來表征零件的材料特征。應用改進的實編碼遺傳算法

5、，得到了理想材料零件虛擬節(jié)點的材料體分比最優(yōu)值。借用三次B樣條函數(shù)插值技術(shù)對材料優(yōu)化結(jié)果進行曲線/面擬和，實現(xiàn)了理想材料零件的材料分布連續(xù)性和光滑性。 在連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計以及理想材料零件材料優(yōu)化設計的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了理想材料零件設計方法。設定關(guān)鍵點來描述零件的幾何邊界特征，引入虛擬節(jié)點以表示零件的材料特征，定義零件內(nèi)孔洞的數(shù)量為其拓撲特征，并建立材料特征、形狀特征和拓撲特征三者之間的函數(shù)映射關(guān)系，以描述不斷變化的零件模型。對于確

6、定拓撲的理想材料零件幾何和材料并行設計，提出了可行方向法和遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化算法。采用基于目標函數(shù)敏度分析的插孔策略進行插孔，改變零件的拓撲構(gòu)型。通過一系列拓撲構(gòu)形情況下的理想材料零件幾何和材料并行設計，得到了理想材料零件幾何拓撲形狀和材料分布的組合最優(yōu)值，解決了其中的幾何和材料耦合問題，實現(xiàn)了理想材料零件的材料與結(jié)構(gòu)一體化設計。最后，將本文中理想材料零件設計方法應用于定型模冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計。分別考慮均質(zhì)定型模和理想材料定型模，從優(yōu)