拓扑优化

摘要： 背景:使用3D打印技术制作适合患者个性化的支具普遍存在,但却缺乏支具对前臂骨折断裂处保护效果的生物力学验证。目的:将逆向建模、有限元分析与拓扑优化等方法相结合,提出一种3D打印制作前臂支具的可行性方法,并通过有限元分析验证支具的有效性。方法:采用逆向建模方法,通过医学图像处理软件Mimics构建1例男性志愿者前臂模型,并利用参数化设计软件Grasshopper对Rodin 4D采集的前臂数据进行处理并建立支具模型。依据前臂生物力学特性对佩戴支具的前臂整体模型进行有限元分析,再根据有限元分析结果对支具进行拓扑优化并作打孔处理,最后用3D打印机将支具打印出来。结果与结论:(1)在100 N的压力载荷下,骨折断裂处应力与位移分别为1.53 MPa和0.27 mm,而前臂在支具保护下断裂处的应力与位移分别下降到0.19 MPa和0.005 mm;(2)在保证支具力学性能前提下对支具进行拓扑优化,通过对比优化后支具的支承刚度结果,选择减少40%体积作为优化结果,再根据优化结果使用Grasshopper插件对支具进行打孔减材处理;(3)通过对比由不同文样镂空设计的支具强度,选择泰森多边形作为打孔文样;(4)提出使用数字化设计与3D打印技术制作的前臂支具具有可行性,实验建立了完整的前臂支具设计、验证及制造系统。

摘要： 背景:近年来骨组织工程支架结构应用广泛,但其稳定性、可控性较差并易产生应力集中。三周期极小曲面具有多孔性、光滑性、连通性、多样性及可控性等诸多优点,为骨组织支架设计及应用提供了新思路。目的:基于隐式曲面法构建骨小梁结构,应用有限元数值模拟方法及拓扑优化技术对其进行结构优化。方法:①基于隐式曲面法参数化构建三周期极小曲面结构,构建三周期极小曲面S-P型、D型和G型骨小梁结构;②采用有限元数值模拟方法对构建的骨小梁结构进行压缩仿真;③利用变密度法和固体各向同性材料惩罚模型建立S-P骨小梁结构拓扑优化数学模型,进行结构优化。结果与结论:①应力云图显示,3种骨小梁结构在单元结构相交处呈现较大应力值,S-P型出现在单元径向连接处,G型出现在轴向连接处,D型在轴向和径向连接处均有,S-P、G、D型骨小梁结构的等效应力分别为105.07,694.78,637.36 MPa;②位移云图显示,3种骨小梁结构接近施加位移面的部分位移最大,沿轴向递减,S-P型的总形变小于G、D型;③3种骨小梁结构的孔隙率均高于50%,其中S-P型孔隙率最高,达到90.7%,孔径为0.63 mm,骨长入性能优于G、D型;④经拓扑优化后,S-P型骨小梁结构的等效应力为149.11 MPa,质量减少13.9%,符合骨组织支架设计要求;⑤结果显示,基于三周期极小曲面参数化建模结合有限元数值模拟及拓扑优化方法对骨小梁结构进行设计优化,为骨植入物表面结构设计提供了新思路。

摘要： 为了增加汽车在行驶过程中的稳定性和平顺性,便于驾驶员按照意图更好的操控车辆的运行轨迹,本文首先基于拓扑优化原理对悬架控制臂开展研究,其次按拓扑优化的节点顺序进行控制臂的建模、优化仿真、性能计算,最后通过试验验证了优化的可行性和效果.结果表明:本文提供的优化措施可行有效且具有工程指导意义,加强了悬架控制臂的结构强度,减小了零部件及整车的开发周期,对提高汽车悬架的性能表现提供了结构支持.

摘要： 兼顾安全性与经济性的高性能结构优化设计是结构设计领域的重要需求,面向火箭橇结构的拓扑优化设计对火箭橇试验具有重要意义。本文在火箭橇结构动力学仿真分析的基础上,基于变密度法建立了火箭橇结构的拓扑优化模型,利用伴随矢量求解了目标函数与约束函数关于设计变量的灵敏度,通过移动渐近线算法驱动了设计变量的更新迭代,最后对拓扑优化设计的结果进行了校验。结果表明,提出的位移约束下的火箭橇结构拓扑优化设计方法在经济性与安全性方面对火箭橇结构的设计是有效的,拓展了火箭橇结构的设计思路。

摘要： 采用显式有限元方法,以传输损耗系数(TLC)为评价指标,研究了以钢为边界、铜和硅橡胶交替填充的方形晶格夹层板的减振性能,分析了方形填充尺寸对结构减振性能的影响。首先建立方形晶格夹层板的有限元仿真模型,其次引入传输损耗系数作为目标函数,运用遗传算法对方形晶格夹层板的减振性能进行优化,针对不同应用场景,得到的优化结果表明方形晶格夹层板具有不同减振范围的可调谐性。最后分析优化后的拓扑结构在不同频率下的位移场,可以看出其仍是在局部共振机理作用下,表现出对低频弹性波的强衰减,为拓宽夹层板的低频减振性能与可制造性提供了新的设计思路。

摘要： 主要介绍利用HyperMesh_OptiStruct模块对某乘用车车轮进行拓扑优化,以满足NVH性能要求。该方法以响应点的侧向动刚度及一阶模态为约束,以质量最小化为目标,对车轮进行拓扑优化分析;之后对优化前后的模型进行模态及动刚度计算,验证了优化方法的有效性。拓扑优化方法对车轮结构的局部微调有着重要意义,它可以帮助优化车轮减重窝的结构,建议在不大改造型的情况下使用。

摘要： 利用Optistruct对某市域快轨车车顶中空铝合金型材断面进行拓扑优化,根据拓扑优化计算结果,综合考虑车辆性能和制造加工等方面的因素,在满足相关技术标准要求的前提下,重新设计车顶的筋板布局。结果表明,优化后的车顶结构实现减重87.3 kg,减重率为9.42%,轻量化设计效果明显。本文的优化分析结果为日后市域快轨车的车顶筋板布局设计提供了一定的参考。

摘要： 对某突击炮托架中支架左支板结构进行了拓扑优化设计。定义拓扑优化程序,经过迭代得到了基于密度云图的拓扑优化结果,在拓扑结果的基础上对原有左支板的结构进行改进。优化后的左支板仍能满足强度刚度要求,体积减少12.5%、重量减少6.4%。该方法可应用于类似结构的拓扑优化,对实现武器的轻量化和提高武器机动性有一定的参考价值。

摘要： 为了实现填充构件的轻质减重,同时保证填充减重后脐带缆具有足够的刚度与强度,本文选取4种典型截面形状的填充构件进行拓扑优化设计。基于传统密实填充空间定义设计变量,以柔度最小化为优化目标,在强度约束的条件下构建优化模型。同时,建立不同填充形式的脐带缆截面数值模型,以脐带缆的截面径向变形、关键构件应力和构件间接触压力作为评价指标,通过有限元分析对拓扑优化结果进行验证。结果表明:对于案例所选脐带缆,优化后的填充构件在满足脐带缆上述力学性能的前提下总质量减轻14%,为脐带缆结构工程设计提供了有益的参考。

摘要： 利用OptiStruct软件对某跨座单轨车头车底架铝合金中空型材断面进行拓扑优化,根据拓扑优化结果得出底架筋板优化方案并验证方案的可行性,最终底架结构质量减少了0.24t,减重率为17.3%,取得了良好的优化效果,为今后轨道车辆底架铝合金中空型材断面的设计和优化提供了参考。

摘要： 车辆的轻量化是车辆节能减排的重要手段.本文采用Hyperworks有限元分析软件对某型号汽车的动力支架进行受力分析,设置了颠簸、转弯、加速三种工况;并在这三种工况下进行计算分析,求得了各个工况下的应力、应变分布云图以及最大应力值和应变值,对该动力支架进行强度、刚度校核.校核后,选择颠簸工况作为设计工况进行拓扑优化以达到减重的目的.

摘要： 首先对铝制副车架进行拓扑优化分析,同时考虑强度和模态性能,以加权柔度最小化为设计目标,约束模态性能和设计空间体积分数.根据拓扑优化结果对副车架进行减材轻量化优化设计.然后在拓扑优化方案的基础上进行多学科优化,多学科优化同时将副车架的模态性能、强度性能和动刚度性能作为设计约束,以质量最小为设计目标.最终在满足所有性能要求的基础上减重1.97Kg,减重比8.8％.结果表明,副车架多级多学科轻量化优化设计可以有效地指导副车架轻量化设计.

摘要： 针对分叉型铸钢节点质量过大、应力分布不均衡和生产制造技术落后等问题,进行了结构拓扑优化及3D打印制造一体化研究.首先利用SolidWorks三维建模软件建立分叉型铸钢节点初始模型并应用HyperWorks有限元软件中的OptiStruct解算器对其进行了拓扑优化,讨论了惩罚因子、棋盘格控制等优化参数对结果的影响,得到分叉型铸钢节点的最优拓扑模型,而后应用两种不同类型的3D打印制造方式制造出了拓扑优化节点的缩尺模型.研究结果表明,拓扑优化可以在保持节点良好力学性能的同时降低铸钢节点的自重,利用拓扑优化的方法寻找铸钢节点的最佳形态是有效可行的.3D打印技术应用于节点制造,不仅可以显著提高生产速度、改善制造精度,还可以毫无困难地解决拓扑优化形成的复杂形体采用传统工艺难以制造的关键问题.

摘要： 双层交通混凝土箱梁是由钢筋和混凝土两种材料组成,而它们的工作性质可抽象为由钢筋和混凝土构成的拉杆-压杆模型.引入一种新的拓扑优化方法"加窗渐进结构优化算法"建立反映结构工作机理的拉杆-压杆模型,为简化的双层交通混凝土箱梁腹板模型开孔设计提供理论指导.首先,在试验研究的基础上,讨论三种开孔形式下工字梁的力学性能;其次,对未开孔试验模型进行拓扑优化分析,通过拓扑解建立拉杆-压杆模型;最后,通过对比研究,验证拉杆-压杆模型的可靠性,并为结构进一步的优化设计提供理论指导.

摘要： 针对全国大学生工程训练综合能力竞赛要求,设计了一款无碳小车的车架,并用Altair公司的Inspire软件对其进行拓扑优化,在保证其刚度的前提下减重52.5％,有效降低了小车制作成本,完成了对无碳小车车架的轻量化设计目标.

摘要： 建筑业每年消耗大量能源,人们对建设业可持续发展的要求越来越紧迫.随着建筑运维阶段的运行能效逐步提高,建筑物化阶段的能耗和碳排所占比重越来越大,其中混凝土材料的相关碳排最多.因此,减少混凝土材料的利用,逐渐成为建筑业内降低能耗与碳排的主要课题.本文基于建筑工业化和数字化发展的背景,以装配式混凝土结构为研究对象,针对其低碳化和数字化建造问题,提出了以减少混凝土材料使用为主要目标的总体研究思路,即:首先开展预制混凝土受弯构件的拓扑优化及其数控模板技术研究,进而进行围护、填充结构的可再生建筑材料的研发,在此基础上开展竖向承重构件的优化设计与数字化建造研究,最后进行基础结构的拓扑优化设计和基于数字技术的基坑开挖方案研究.此外,还详细介绍了作者在预制混凝土梁的数控模板技术、基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机等方面的研发工作.

摘要： 对阻尼材料损耗因子的频变特性进行测试,在HyperMesh中建立不同的考虑频变特性阻尼模型,与试验对比选出最佳仿真模型.以等效辐射声功率最小为目标,使用OptiStruct对白车身上的阻尼层进行拓扑优化,将拓扑优化结果进行工程化修整,并敷设于整车仿真模型,最后将阻尼层拓扑前后的路噪水平进行对比.结果表明,OptiStruct软件可以有效的用于车身阻尼层的拓扑优化.

摘要： 结合整车Spindle响应结果,对某型车白车身进行等效辐射声功率(ERP)分析.同时采用OptiStruct对整车响应峰值进行拓扑优化,根据ERP及拓扑优化结果,初步得到白车身潜在的阻尼片分布区域.并通过对潜在的阻尼片进行灵敏度分析,得到其对整车峰值的灵敏度.通过整车Spindle分析,增加潜在阻尼片后,整车响应降低2-4dB,效果明显.此分析方法及思路对车身阻尼片分析具有重要的技术指导意义和参考价值.

摘要： 在某款悬臂架的轻量化开发设计过程中,利用OptiStruct优化技术,在完成拓扑优化分析的基础上,进行结构的尺寸优化分析与设计.最终优化后悬臂架重量由73.5Kg降到66Kg,减重约10％,实现了悬臂架的轻量化设计.

摘要： 应用HyperWorks先进的CAE优化方法,针对一台长度为6米的电动小巴进行减重设计.项目成果得到了一个国内领先的白车身重量指标.

摘要： 本发明公开了一种LLC拓扑的效率优化方法，包括以下步骤：1)检测LLC拓扑的输入电压；2)根据检测到的输入电压计算出给定的输出母线电压如下：Vbus＝n*Vin，其中Vbus为LLC拓扑输出母线电压，Vin为输入电压，n为变压器副边对原边的变比；3)将LLC拓扑的输出电压调整到给定的输出母线电压。还公开了一种相应的LLC拓扑效率优化系统以及LLC拓扑系统。本发明将LLC拓扑的工作频率维持在谐振频率点附近，扩大了系统在谐振频率点的工作范围，提高了系统的整体工作效率。

摘要： 内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓扑优化设计方法，涉及骨科假体技术领域。内置假体拓扑优化数学模型的构建方法，包括计算参考应变能、计算应变能总和、计算归一化应变能、建立内置假体的最大材料保留率、最大范式应力、计算所有单元平均材料保留率以及假体包含区域所有有限元单元的几何中心的应力的最大值、建立并令刚度匹配函数对归一化应变能的偏导数为零解得加权因子的取值并带入得到刚度匹配函数、建立拓扑优化数学模型。将健康骨作为假体设计的参照，利用加权因子和增减函数来可控调节假体刚度达到与参考应变能相近水平，利用增减函数的互相抵耗作用实现优化模型函数的极值调控，使得收敛稳定，以便于获得最优解，方便实际工程的运用。

摘要： 提出分布式系统中基于拓扑机器人的网络拓扑优化方法：①分布式系统中所有节点周期性向拓扑机器人发送邻居链路状态信息，机器人构建全网拓扑图，计算所有节点的重要度；②机器人获取网络分裂影响度不为0的节点数量n1；③机器人对所有节点的重要度进行比较，找出重要度度量值最大的节点A；④找出节点重要度最小的机器人B；⑤假设机器人B移动至节点A附近，机器人B更新网络拓扑图，计算所有节点的重要度；⑥机器人B获取网络分裂影响度不为0的节点数量n2；⑦机器人B对所有节点的重要度进行比较，找出重要度度量值最大的节点C；⑧决策是否执行“机器人B移动至节点A附近”的拓扑优化操作。该方法能实现增强分布式系统网络连通性，提高网络的抗毁能力和健壮性。

摘要： 内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓扑优化设计方法，涉及骨科假体技术领域。内置假体拓扑优化数学模型的构建方法，包括计算参考应变能、计算应变能总和、计算归一化应变能、建立内置假体的最大材料保留率、最大范式应力、计算所有单元平均材料保留率以及假体包含区域所有有限元单元的几何中心的应力的最大值、建立并令刚度匹配函数对归一化应变能的偏导数为零解得加权因子的取值并带入得到刚度匹配函数、建立拓扑优化数学模型。将健康骨作为假体设计的参照，利用加权因子和增减函数来可控调节假体刚度达到与参考应变能相近水平，利用增减函数的互相抵耗作用实现优化模型函数的极值调控，使得收敛稳定，以便于获得最优解，方便实际工程的运用。

摘要： 本发明公开一种正方晶格弹性高阶拓扑绝缘体的拓扑优化设计方法及系统，该拓扑优化设计方法为实现指定工作频率的弹性高阶拓扑绝缘体，对二维正方晶格元胞中材料分布进行反演设计，以获得具有弹性波波导传输和定点局域收集能力的结构。本发明设计得到的正方晶格弹性高阶拓扑绝缘体能够实现弹性波的精确波导和定点局域效果，可用于指定频率区域弹性波的精确调控，充分发挥了高阶拓扑绝缘体的波调控能力。

摘要： 一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，属于涡轮气动设计领域。建立发动机涡轮叶栅流道拓扑优化的几何模型，确定设计域和出入口位置；构建关于流体的能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数等三个目标函数；调整目标函数之间数量级确保量级相近，以此构建修正的多目标函数；定义相应边界条件并求解流场，利用伴随法求解伴随流场，输出伴随乘子，进行灵敏度分析计算；将目标函数值及其灵敏度代入MMA优化算法进行优化，更新设计变量；判断目标函数是否收敛，若否，则将更新的设计变量代入MMA优化算法继续迭代，若满足，则输出最终拓扑结果。无需给定几何信息及初始叶型，为发动机涡轮叶栅构型设计提供一种新思路。

摘要： 本申请涉及多功能超材料技术领域领域，提供了超表面的拓扑优化方法、拓扑超表面吸波结构。所述超表面的拓扑优化方法的方法包括：将基底表面划分为编码格子；对所述编码格子、相邻的所述拓扑结构超表面层之间的厚度、所述拓扑结构超表面层的方块阻抗值分别进行二进制编码，得到p串第一代二进制编码串，其中，p为正整数；将m个所述第一代二进制编码串进行优化，得到m个所述第二代二进制编码串；对s个所述第二代二进制编码串进行优化，其中，s≤m，得到相应的第三代二进制编码串，所述第三代二进制编码串用于生成超表面拓扑结构。

摘要： 提出分布式系统中基于拓扑机器人的网络拓扑优化方法：①分布式系统中所有节点周期性向拓扑机器人发送邻居链路状态信息，机器人构建全网拓扑图，计算所有节点的重要度；②机器人获取网络分裂影响度不为0的节点数量n

摘要： 本发明公开了一种基于拓扑优化的换流阀故障处理方法及换流阀拓扑结构，所述方法中，构建用于直流与交流逆变的换流阀拓扑结构，换流阀拓扑结构包括电源、平波电抗器和多个晶闸管阀，在串联晶闸管阀的每个桥臂上的部分晶闸管阀上反向并联二极管，当晶闸管阀通路发生改变时，基于反向并联二极管，未反向并联二极管的晶闸管阀加速关断，其余晶闸管阀及反向并联二极管获得关断延时。

摘要： 本发明公开了一种基于连续体结构拓扑优化的树状结构拓扑创构方法，所述基于连续体结构拓扑优化的树状结构拓扑创构方法，应用连续体结构拓扑优化ICM法，建立重量约束下结构总应变能极小化的拓扑优化模型，依据单约束优化问题的鞍点条件建立优化迭代格式。本发明不需要事先设定树状结构的层数、层高、分枝数、屋面结构与树状结构支承连接位置等信息，具有更大的设计空间。数值算例表明所提出的基于结构拓扑优化ICM法的树状结构创构是可行的，可为概念设计阶段的树状结构提供多样化的拓扑形态。