收藏本站
《华南理工大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

多场耦合及多相材料的柔顺机构拓扑优化研究

李冬梅  
【摘要】:随着科技的发展,多场耦合在实际工程及集成化产品中的作用变得越来越显著,甚至起主导作用。在对这些工程产品进行拓扑优化设计时,单一物理场下进行的拓扑优化设计方法已不能满足实际应用,迫切需要有效的方法来解决耦合问题。本文以多场耦合拓扑优化为研究对象,对多物理场中关联性最大的热场引发的结构散热、材料性能和结构的热可靠性等拓扑优化问题进行了系统地研究,主要研究内容如下: (1)在考虑温度效应的作用下,进行刚性结构和柔顺机构的拓扑优化设计。论证了热固耦合分析的必要性,为多场耦合的拓扑优化设计提出一种新的思路和方法。首先,对热场进行有限元分析,在本构关系中计入了热应变,用虚功原理和有限元法推导了等效节点热载荷,并将热载荷转化为体力施加给弹性场,得到了结构的耦合控制方程。然后建立了热固耦合拓扑优化模型,得到了热固耦合结构与柔顺机构最优拓扑图。最后,对比和分析了不同温度下的拓扑结果。 (2)在热固耦合的基础上,提出了一种热电耦合的多目标拓扑优化方法,设计了一种电热驱动的柔顺机构。根据焦耳定理,电场将产生等效热量,机构在热的作用下将产生热应力和热应变,从而驱动机构产生输出位移。应用顺序耦合方法进行电-热-结构多物理场耦合分析,采用比值法权衡了多个目标之间的比例关系,用移动近似算法对优化问题进行迭代求解,为微机电系统中的电-热-结构材料一体化综合设计提供了一种新的方法。 (3)提出了一种在对流换热的边界条件下进行结构散热拓扑优化设计的方法。以最小散热弱度为目标,建立了相关模型,得到了与实际应用中的热交换器非常相似的散热拓扑图,以实例论证了忽略对流换热进行的散热结构拓扑优化是不完备的。此外,在均匀温度场的基础上提出了非均匀温度场的散热拓扑优化设计,应用叠加原理将非均匀温度场等效为一个均匀温度场与多个集中热源叠加而成,从而将非均匀温度场的散热拓扑优化设计转化为一个多目标的优化设计。 (4)根据不同的目标得到了各种材料微观结构拓扑图,并设计了由不同材料构成的柔顺机构。推导了多相材料等效弹性模量、离轴刚度与整体刚度矩阵,研究了不同材料主方向的微观结构,根据不同的功能需求,得到各种不同性能的多相复合材料;并进行了多相复合材料构成的柔顺机构拓扑优化设计研究,实现输入输出成非对应关系的多功能需求,从而充分发挥多相材料的性能。 (5)基于概率可靠性理论,探讨了如何减少温度环境、几何尺寸以及作用荷载等因素的不确定性而导致的机构性能下降的问题。用可靠度指标衡量各种随机因素的不稳定性,构建了以可靠性指标为约束条件的热固耦合拓扑优化数学模型,最后对比分析了可靠性与确定性拓扑结果,证明了进行可靠性拓扑优化能找到经济与性能的最佳结合点。在此基础上,给出了一种基于密度法的等高线边界轮廓拓扑图提取方法,并采用线切割加工工艺,研制了位移反向器原型,对位移反向器的位移性能及温度效应进行了试验测试。结果表明,考虑温度效应的位移反向器的试验测试结果与理论模型基本吻合,说明了理论模型的正确性。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH112

手机知网App
【引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 何彬;李响;;冷镦机床身热力分析与结构优化[J];锻压技术;2014年09期
2 龙清平;杜义贤;卓道锋;;复变量法求解拓扑优化敏度分析研究[J];机械工程师;2014年05期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 朱本亮;基于水平集方法的分布式柔顺机构拓扑优化设计研究[D];华南理工大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 曾昭贤;微加速度计结构多目标拓扑优化设计研究[D];广西科技大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 程耿东;关于桁架结构拓扑优化中的奇异最优解[J];大连理工大学学报;2000年04期
2 张长林,余建星,杨振国;非线性约束最优化问题的多目标模拟退火算法[J];复旦学报(自然科学版);2003年01期
3 李双蓓;周小军;黄立新;郭相武;;基于有限元法的正交各向异性复合材料结构材料参数识别[J];复合材料学报;2009年04期
4 程耿东,刘书田;单向纤维复合材料导热性预测[J];复合材料学报;1996年01期
5 陈建军,曹一波,孙怀安;多工况下具有体系可靠性约束的桁架结构拓扑优化设计[J];固体力学学报;2000年01期
6 袁振,吴长春;复合材料周期性线弹性微结构的拓扑优化设计[J];固体力学学报;2003年01期
7 陈丹;潘文峰;晏石林;;基于能量法的复合材料热残余应力的拓扑优化[J];固体力学学报;2008年S1期
8 王健,程耿东;应力约束下薄板结构的拓扑优化[J];固体力学学报;1997年04期
9 孙杰;宋迎东;孙志刚;高希光;;水平集法在多相材料细观结构优化中的应用[J];航空动力学报;2008年08期
10 张卫红;汪雷;孙士平;;基于导热性能的复合材料微结构拓扑优化设计[J];航空学报;2006年06期
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 左孔天;连续体结构拓扑优化理论与应用研究[D];华中科技大学;2004年
2 马洪波;随机结构可靠性分析和优化设计研究[D];西安电子科技大学;2004年
3 孙士平;材料和结构的拓扑优化关键理论与方法研究[D];西北工业大学;2006年
4 庄春刚;基于水平集的多材料结构拓扑优化设计方法与应用[D];上海交通大学;2007年
5 张永存;多孔材料传热特性分析与散热结构优化设计[D];大连理工大学;2008年
6 杜义贤;基于无网格法的柔性机构拓扑优化方法研究[D];华中科技大学;2007年
7 宋少云;多场耦合问题的协同求解方法研究与应用[D];华中科技大学;2007年
8 占金青;基于基础结构法的柔顺机构拓扑优化设计研究[D];华南理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 陈永健;柔顺机构的拓扑优化与驱动单元配置的集成设计研究[D];汕头大学;2005年
2 汪雷;材料与结构的传热性能优化设计[D];西北工业大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王春红;王瑞;沈路;姜兆辉;;竹原纤维增强聚乳酸完全可降解材料的性能研究[J];工程塑料应用;2008年01期
2 傅光耀;王浩;;薄钢铺板对平台主梁变形影响的试验研究和分析[J];四川建筑科学研究;2006年02期
3 常玉珍;吴敏哲;;组合肋壳几何非线性分析[J];四川建筑科学研究;2006年05期
4 王青;徐港;;剪力墙结构弹塑性分析的QR法Ⅱ——计算格式、程序及算例[J];四川建筑科学研究;2006年06期
5 王开强;孙飞飞;胡大柱;;多弹簧梁柱单元在空间钢框架非线性分析中的应用[J];四川建筑科学研究;2007年06期
6 王江;周晖;宋雪峰;;变截面工形柱平面内弹塑性极限承载力研究[J];四川建筑科学研究;2008年01期
7 高轩能;李琨;;变截面门式刚架地震反应研究进展[J];四川建筑科学研究;2008年03期
8 肖烨;陈剑毅;易萍华;;自由度匹配技术在框架结构损伤识别中的应用研究[J];四川建筑科学研究;2011年02期
9 方开敏;张宜辉;;基于VB.NET连续梁设计计算程序开发研究[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2009年05期
10 阎晓铭;胡守营;王传甲;;深圳某超高层公寓楼结构动力性能研究[J];安徽建筑;2011年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 宫建国;陶钧;曾胜;金涛;;地基平面沉降下的大型石油储罐模态分析[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
2 张应迁;石艳;唐克伦;刘明;;外压容器临界载荷特性研究[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
3 王青平;白武明;王洪亮;;多重网格在二维泊松方程有限元分析中的应用[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(上)[C];2012年
4 李同春;朱寿峰;赵兰浩;胡继刚;;考虑坝体与坝肩动力相互作用的坝肩稳定动接触降强算法[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
5 张汉云;张燎军;;基于虚拟裂缝模型的带横缝高拱坝的抗震性能研究[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
6 江春冬;贾海朋;杜太行;张磊;江春波;;进化算法在结构拓扑优化中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 纪军;王安华;任增金;;圆沉箱内隔墙的设置方式[A];中国土木工程学会港口工程分会第七届港口工程技术交流会论文集[C];2011年
8 王彬;;基于APDL的大口径反射镜优化设计[A];第二十四届全国空间探测学术交流会论文摘要集[C];2011年
9 周清华;杜留法;杨雄辉;;减摇鳍加强结构CAD/CAE一体化的若干关键技术探讨[A];纪念徐秉汉院士船舶与海洋结构力学学术会议论文集[C];2011年
10 樊征兵;何欢;陈国平;;不确定结构的模态和动响应分析[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张红哲;车身概念设计智能CAE关键技术的研究[D];长春理工大学;2010年
2 高立新;轿车集成开发中若干关键技术研究[D];合肥工业大学;2010年
3 段志东;基于广义模块化设计的快锻液压机机架力学特性研究[D];兰州大学;2010年
4 查云飞;类菱形车转向系统研究与分析[D];湖南大学;2010年
5 毛海涛;无限深透水地基上土石坝坝基渗流控制计算方法和防渗措施的研究[D];新疆农业大学;2010年
6 潘健怡;铝合金型材挤压的数值模拟及模具结构优化研究[D];华南理工大学;2010年
7 许兰贵;变壁厚大锥度薄壁铝罐成形关键技术的研究[D];华南理工大学;2010年
8 谭林;基于动力指纹的结构损伤识别可靠度方法研究[D];华南理工大学;2010年
9 杨陈;低噪声轻量化单缸柴油机的虚拟设计技术研究[D];浙江大学;2009年
10 卢兆刚;基于混合FE-SEA方法的汽车薄壁件中频声学特性预测及优化研究[D];浙江大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李伟;基于ANSYS平台的拓扑优化方法研究及其在离心机吊篮结构设计中的应用[D];中国工程物理研究院;2010年
2 胡婷萍;大厚度电子束焊缝的超声检测及缺陷散射信号的研究[D];南昌航空大学;2010年
3 马飞飞;框架结构轻钢加层的地震反应分析研究[D];山东科技大学;2010年
4 于雷;多孔NiAl材料合成及性能研究[D];山东科技大学;2010年
5 王权;起重机减速器变位斜齿轮副有限元仿真分析与研究[D];山东科技大学;2010年
6 夏云清;装载机差速器齿轮的非线性接触与疲劳寿命分析[D];浙江理工大学;2010年
7 王志宽;大直径人工挖孔扩底桩承载力试验研究与工程应用[D];郑州大学;2010年
8 辛栋;纤维增强聚合物复合材料力学性能的数值预测[D];郑州大学;2010年
9 张彩香;发射筒口分瓣式隔水膜刚度强度分析[D];郑州大学;2010年
10 闫利利;起重机箱形梁的拓扑优化研究[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 涂晟;王军波;商艳龙;陈德勇;;高灵敏度谐振式微加速度传感器的设计与制作[J];传感技术学报;2011年08期
2 樊尚春;孙苗苗;李成;;一种基于谐振音叉的新型差动式硅微加速度计设计与分析[J];传感技术学报;2012年01期
3 游侠飞;吴昌聚;郑阳明;金仲和;;基于有限元法的MEMS加速度计热应力分析[J];传感技术学报;2012年02期
4 杨丹琼;陈志龙;徐静;钟少龙;李四华;吴亚明;;低热机械噪声MEMS加速度计设计[J];传感器与微系统;2011年11期
5 程耿东;关于桁架结构拓扑优化中的奇异最优解[J];大连理工大学学报;2000年04期
6 郭力;高效伟;;复变量求导法灵敏度分析及弹塑性参数反演[J];东南大学学报(自然科学版);2008年01期
7 刘江林;曾卫东;吴欢;赵永庆;王腾;;TA2棒材斜轧穿孔过程三维热力耦合有限元分析[J];锻压技术;2012年03期
8 张祖芳,仲太生,许超;开式压力机机身轻量化设计研究[J];锻压装备与制造技术;2003年03期
9 许高斌;朱华铭;陈兴;;不等高梳齿电容式三轴MEMS加速度传感器[J];电子测量与仪器学报;2011年08期
10 谢亿民,杨晓英,G.P.Steven,O.M.Querin;渐进结构优化法的基本理论及应用[J];工程力学;1999年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 占金青;基于基础结构法的柔顺机构拓扑优化设计研究[D];华南理工大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 褚金奎,郝秀春,王立鼎;拓扑优化方法的研究现状及在微机构设计中的应用[J];微纳电子技术;2003年Z1期
2 张爱林,王海涛,任维杰;结构优化设计中压杆稳定可靠度约束的简化处理[J];北京工业大学学报;2001年01期
3 叶红玲;隋允康;;应力约束下连续体结构的拓扑优化[J];北京工业大学学报;2006年04期
4 王晓军,邱志平;结构振动的鲁棒可靠性[J];北京航空航天大学学报;2003年11期
5 吴祥法,杨国树;随机参数结构动特性的统计分析[J];北京理工大学学报;1996年01期
6 庄守兵,吴长春,冯淼林,袁振;基于均匀化方法的多孔材料细观力学特性数值研究[J];材料科学与工程;2001年04期
7 荣见华,谢忆民,姜节胜,徐斌,付俊庆;渐进结构优化设计的现状与进展[J];长沙交通学院学报;2001年03期
8 李艺,刘斌,车维毅,康玉梅;一种简便的刚架结构可靠性分析方法[J];东北大学学报;2002年07期
9 林家浩;有频率禁区的结构优化设计[J];大连工学院学报;1981年01期
10 程耿东;关于桁架结构拓扑优化中的奇异最优解[J];大连理工大学学报;2000年04期
中国博士学位论文全文数据库 前9条
1 刘震宇;微型及小型柔性机械结构的拓扑优化设计方法[D];大连理工大学;2000年
2 梅玉林;拓扑优化的水平集方法及其在刚性结构、柔性机构和材料设计中的应用[D];大连理工大学;2003年
3 左孔天;连续体结构拓扑优化理论与应用研究[D];华中科技大学;2004年
4 马洪波;随机结构可靠性分析和优化设计研究[D];西安电子科技大学;2004年
5 贾海朋;结构与柔性机构拓扑优化[D];大连理工大学;2005年
6 孙志刚;复合材料高精度宏-细观统一本构模型及其应用研究[D];南京航空航天大学;2005年
7 叶红玲;连续体结构静力拓扑优化方法与软件开发[D];北京工业大学;2005年
8 何飞;SiO_2和SiO_2-Al_2O_3复合干凝胶超级隔热材料的制备与表征[D];哈尔滨工业大学;2006年
9 郭棋武;大跨斜拉桥的非线性及可靠性分析[D];湖南大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 杨贵玉;拓扑优化方法及其在微型柔性机构设计中应用的研究[D];大连理工大学;2004年
2 王春会;连续体结构拓扑优化设计[D];西北工业大学;2005年
3 陈永健;柔顺机构的拓扑优化与驱动单元配置的集成设计研究[D];汕头大学;2005年
4 汪雷;材料与结构的传热性能优化设计[D];西北工业大学;2006年
5 侯善芹;复合材料宏观性能的统计特征分析[D];大连理工大学;2006年
6 邓俊广;基于压电陶瓷驱动器的精密定位平台控制系统研究[D];汕头大学;2006年
7 葛浩;新型微通道热沉的设计和数值研究[D];上海交通大学;2007年
8 裴灵;轨迹输出平面柔顺机构的轮廓提取与形状优化方法研究[D];上海交通大学;2008年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 冷国俊;张卓;保宏;杨东武;;考虑重叠过滤及稳定性约束的桁架拓扑优化方法[J];工程力学;2013年02期
2 孙哲;胡于进;;基于多目标拓扑优化的失效零件再设计[J];机械与电子;2014年04期
3 郭中泽;陈裕泽;张卫红;梅军;;基于单元材料属性更改的结构渐进拓扑优化方法[J];机械科学与技术;2006年08期
4 冯文贤;杨志军;陈新;;基于显式函数的位移约束板结构拓扑优化方法[J];机械强度;2011年02期
5 王庆;徐斌;何佳琦;;基于拓扑优化的结构动力学边界条件优化设计[J];机械科学与技术;2012年11期
6 孙宝元,杨贵玉,李震;拓扑优化方法及其在微型柔性结构设计中的应用[J];纳米技术与精密工程;2003年01期
7 隋允康,于新,叶宝瑞;应力和位移约束下桁架拓扑优化的有无复合体方法[J];固体力学学报;2004年03期
8 刘帮俊;史慧彬;;拓扑优化技术在桥梁规划设计中的应用[J];公路交通技术;2006年01期
9 杨志军;吴晓明;陈塑寰;孟树兴;;多工况约束下客车顶棚拓扑优化[J];吉林大学学报(工学版);2006年S1期
10 熊振华;庄春刚;丁汉;;基于隐含边界描述的连续体拓扑优化[J];上海交通大学学报;2007年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 龙凯;肖涛;左正兴;;动柔顺度最小目标下的连续体拓扑优化方法[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
2 曾金玲;;拓扑优化技术在发动机零部件设计中的应用[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009(CSMO-2009)论文集[C];2009年
3 邵沛泽;叶红玲;陈宁;隋允康;;两种不同过滤函数屈曲拓扑优化模型理论推导[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
4 李刚;;结构的多目标全局拓扑优化——收敛性与效率准则[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
5 谷叶水;杨万里;邓晓龙;;发动机附件支架多工况拓扑优化研究[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009(CSMO-2009)论文集[C];2009年
6 尚珍;隋允康;铁军;叶红玲;;过滤函数间关系对拓扑优化效率影响的初步研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
7 黄永旺;袁登木;;多目标拓扑优化技术在汽车行业中的应用[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
8 顾亦磊;陈昌亚;;拓扑优化技术在桁架设计中的应用[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009(CSMO-2009)论文集[C];2009年
9 朱继宏;张卫红;;基于单元替换的结构渐进拓扑优化方法[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
10 豆麟龙;尹益辉;;考虑材料非线性的拓扑优化研究综述[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 高文;工业结构设计的新手段[N];计算机世界;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 胡三宝;多学科拓扑优化方法研究[D];华中科技大学;2011年
2 陈志敏;基于文化基因算法的拓扑优化方法及其关键技术研究[D];华中科技大学;2010年
3 王晓明;特定功能结构的拓扑优化[D];大连理工大学;2010年
4 李顺利;无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法及其在结构分析和拓扑优化中的应用[D];湖南大学;2011年
5 韦勇;阻尼结构的建模、识别和拓扑优化研究[D];南京航空航天大学;2006年
6 徐胜利;基于拓扑优化的结构刚度和渗流多功能材料设计[D];大连理工大学;2010年
7 乔赫廷;连续体结构拓扑优化模型讨论及其应用[D];大连理工大学;2011年
8 左孔天;连续体结构拓扑优化理论与应用研究[D];华中科技大学;2004年
9 孙士平;材料和结构的拓扑优化关键理论与方法研究[D];西北工业大学;2006年
10 薛晓光;基于能量流分析的结构动力学拓扑优化理论与方法研究[D];国防科学技术大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘婉秋;杆系结构基于可靠性的拓扑优化研究[D];大连理工大学;2006年
2 曾兴国;基于移动粒子法的连续体结构拓扑优化研究[D];湘潭大学;2011年
3 周常荣;移动粒子法拓扑优化效率影响因素的研究[D];湘潭大学;2012年
4 倪君杰;骨骼重建拓扑优化方法的理论研究和数值模拟[D];北京工业大学;2009年
5 李朕;散热结构拓扑优化[D];华中科技大学;2008年
6 杨振兴;汽车与机械结构动力学拓扑优化方法及其应用研究[D];长沙理工大学;2005年
7 李玉霞;刮板输送机轨座的拓扑优化分析[D];河北工业大学;2006年
8 魏永保;基于修正移动粒子法的拓扑优化研究[D];湘潭大学;2013年
9 张程燮;基于拓扑优化的柔顺机构应力强度设计方法研究[D];东华大学;2011年
10 邢晓娟;基于数学规划求解的拓扑优化方法及其应用研究[D];长沙理工大学;2008年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026