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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

李伟  
【摘要】: 拓扑优化是结构优化中最富有挑战的领域,拓扑的改变可以大大改善结构的性能或减轻结构的重量,并有可能使无解的问题变得有解。近十年来,结构拓扑优化设计已成为结构优化设计中的热点研究领域,发展和完善这一方法,并将其引入工程应用是非常有意义的研究课题。 本文开展了渐进结构优化方法(Evolutionary structure Optimization,简称ESO)研究,并针对实际工程结构设计的需要,将ESO方法应用于离心机吊篮的结构优化设计。主要研究内容概述如下。 首先,在ANSYS软件工作平台下,对基本的ESO方法进行了数值实现,包括基于应力水平删除材料的ESO方法和基于总刚度约束的ESO方法。 然后,在基本ESO方法思想的基础上,进行了位移灵敏度分析和应力灵敏度分析,研究了具有应力约束和位移约束的连续体结构拓扑优化的单元删除策略。通过该方法可使得结构在拓扑优化的迭代过程中,最大应力的变化尽可能小,且最优结构所对应的最大应力和位移能控制在容许应力范围之内。通过若干工程算例的优化结果验证,本文方法的优化结果与工程实际要求较吻合,在有应力约束下的连续体结构拓扑优化中采用本文方法可以取得较为满意的优化结果。 接下来,在灵敏度分析的基础上介绍了利用滤波技术抑制优化过程中出现的棋盘格式的方法。研究了在多工况、多约束条件下的渐进结构优化方法,并以广泛使用的ANSYS软件作为分析平台,阐述了优化软件实现的过程。 最后,基于ANSYS软件工作平台,利用APDL语言针对含有体积力载荷的离心机吊篮结构优化设计问题进行参数化有限元分析和结构优化设计。


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