不可压缩流体流道拓扑优化设计

【摘要】：目前,针对流体流道拓扑优化设计的研究还处于发展阶段,仍然是一个热点研究方向,只有少部分学者从事此项研究。现有研究多采用编写程序的方式进行流场求解分析,此方法存在较大的局限性,而且对复杂模型的建立存在困难。现有研究方法比较适用于理论研究,但是在实际工程应用上,还略有欠缺。为了面向实际工程应用,流体流道拓扑优化设计采取成熟的商业有限元软件进行流场分析是大势所趋。本文借助LS-DYNA软件和MATLAB软件建立了基于混合元胞自动机法的流体流道拓扑优化系统,探索研究适合工程应用的拓扑优化系统。首先,确定流体流道拓扑优化系统的建立基础,主要通过三步进行。第一步,基于LS-DYNA建立流场分析计算平台,并通过结果的对比验证,证明其分析结果的准确性;第二步,确定流体流道拓扑优化系统建立的理论基础——混合元胞自动机算法;第三步,建立LS-DYNA软件与优化程序的接口,实现MATLAB软件编写的流体流道拓扑优化程序与LS-DYNA软件的信息互通。其次,建立流体流道拓扑优化系统。第一步,建立原始流体有限元模型;第二步,建立K文件离散化与邻居元胞查找系统,实现有限元模型的快速自动离散化;第三步,基于混合元胞自动机法编写流体流道拓扑优化主程序(MATLAB编写),动态更新材料参数,改变单元属性(流体单元或实体单元),以此建立起流体流道拓扑优化系统,实现对流道的拓扑优化设计。以三通型流道为例,验证了所建立的优化系统的可行性。最后,通过增加局部控制规则,改进了前文优化系统的不足。并尝试应用现有研究普遍采用的RAMP插值模型建立流体流道拓扑优化系统,以此寻求最适合的拓扑优化方法。通过实验与仿真结果表明,采用SIMP加入局部控制规则的拓扑优化结果更优,较为适合单元从流体状态转变为固体状态的流体流道拓扑优化系统。为了验证此优化系统,将拓扑优化系统应用于直角弯管、双流管、T型管以及对流分流管四种模型。结果表明,前文所建立的拓扑优化系统具有良好的实用性。综上所述,本文以优化算法结合有限元软件的方式,实现了流体流道拓扑优化设计,极大的提高了优化设计的可操作性和实用性,有良好的工程应用前景。