基于SIMP拓扑优化理论的结构概念设计研究

为了探讨机床结构概念设计问题,并提供符合工程实际的、用于概念设计阶段的机床结构设计方法,文中将拓扑优化方法与有限元结合应用于结构概念设计进行了研究。以UG作为CAD造型平台,以ANSYS作为CAE有限元建模和分析平台,采用SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)拓扑优化理论建立数学模型,并应用改进的启发式拓扑优化准则算法进行数学模型的求解,得到经过拓扑优化的结构概念设计的方案模型。文中将拓扑优化方法与CAD/CAE系统进行集成应用于解决船舶舵叶连接法兰面加工专机的升降台的拓扑结构优化。优化结果为结构详细设计阶段的形状优化和截面优化提供设计优化区域和原型。从结构概念设计的结果看出,其优化设计过程较稳定、有效,能够满足工程上概念设计的需要。     

基于有限元分析的自升式平台桁架腿选型优化设计

桁架腿作为自升式平台最为常见的桩腿结构型式,其拓扑型式、结构形状和构件尺寸设计对平台结构响应有重要影响。针对这一问题．笔者将有限元分析和数值优化方法有机结合,建立了复杂环境下桁架腿结构的多约束条件的优化模型,应用ANSYS优化模块进行求解。优化过程中,针对两层设计变量耦合困难的问题,分层优化方法。为验证优化模型和方法的可靠性,对某自升式平台桁架腿进行了选型优化设计。优化结果表明,本文采用的优化模型和方法简单实用,优化效果显著,为自升式平台桁架腿的概念设计提供了一种有效工具。     

基于有限元分析的自升式平台桁架腿选型优化设计

桁架腿作为自升式平台最为常见的桩腿结构型式,其拓扑型式、结构形状和构件尺寸设计对平台结构响应有重要影响.针对这一问题,笔者将有限元分析和数值优化方法有机结合,建立了复杂环境下桁架腿结构的多约束条件的优化模型,应用ANSYS优化模块进行求解.优化过程中,针对两层设计变量耦合困难的问题,分层优化方法.为验证优化模型和方法的可靠性,对某自升式平台桁架腿进行了选型优化设计.优化结果表明,本文采用的优化模型和方法简单实用,优化效果显著,为自升式平台桁架腿的概念设计提供了一种有效工具.     

基于ANSYS Workbench拓扑优化对止动架轻量化的研究

针对止动架重量过大及焊接、维修工艺性差等问题,本文提出将拓扑优化方法应用到止动架轻量化设计中。首先,进行三角板模型的静应力有限元计算,并对三角板模型进行拓扑优化,通过对比三角板模型优化前后的计算结果,验证了拓扑优化方法的可行性。然后将拓扑优化方法应用到止动架结构优化设计中,达到了轻量化设计的目的。该方法可应用于同类大型焊接结构件的轻量化设计,具有一定的工程应用价值。     

拓扑优化技术在拱式纵梁码头结构中的应用

近年来,结构拓扑优化设计已成为结构优化研究领域的热点。针对新型的拱式纵梁码头结构,基于ANSYS有限元理论,采用拓扑优化方法对拱式纵梁的拱轴线线型进行选择,将得出的拱轴线应用于拱式纵梁码头结构中。通过实例证明了拓扑优化生成的拱轴线的合理性及其在工程应用中的可行性。     

基于多层次法的浮箱结构优化设计

对浮箱进行结构优化可减轻结构自重以提高有效载重量，从而能够满足更大吨位的载重要求，改善经济性。针对浮箱的板梁结构形式特点，采用综合应用双向渐进结构优化（BESO）和响应面法（RSM）方法的多层次结构优化设计方法，进行浮箱结构优化设计，涵盖尺度优化、拓扑优化和截面优化3个层次。该方法的核心是使用BESO方法从基结构中获得优化解。在尺度优化层次，根据不同的主要尺度参数建立相应的基结构模型，应用BESO法得到相应优化解，并建立响应面模型进行尺度优化求解。在拓扑优化层次，根据最优尺度参数重新建立基结构模型调用BESO法求解，得到最优拓扑。由于最优拓扑解存在锯齿边，在截面优化层次需要对各截面进行光滑处理。将光滑处理问题转化为对截面参数的求解，建立截面参数与优化目标的响应面模型，最终确定各截面形状。通过某浮箱的结构优化设计实例，验证了多层次结构优化设计方法的可行性和有效性。     

CGX巡洋舰多学科设计优化模型的再分析

传统的设计螺旋方法由于割裂了学科间耦合,得到的设计往往是满足设计要求的设计而不是最优的设计.多学科设计优化(MDO)方法正是一种能得到最优设计的新设计方法,MDO目前被广泛应用于复杂工程系统的设计中.文中对多学科设计优化的理论进行了简要综述,在此基础上为了演示MDO方法应用于舰船设计,采用iSIGHT对国外的CGX巡洋舰概念设计的13个模块进行了集成,建立了MDO模型并优化,得到了较好的优化解.在此基础上采用神经网络重新建立了该MDO模型,将优化结果和原MDO模型优化结果进行了比较.     

锚机机架结构优化设计

结合有限元法、拓扑优化理论以及尺寸优化理论,对某锚机机架进行了系统的创新设计。首先根据锚机设计参数确定该机架的基本尺寸和材料参数,以此建立机架有限元模型,并在此基础上建立拓扑优化模型,得出该机架的最佳传力路径;再根据优化结果建立了三种设计方案的壳单元数值模型和相应的包含离散变量的尺寸优化模型,进行机架的详细设计和比较分析,得出最优机架结构。     

多工况拓扑优化算法在大型运输船高双层底实肋板结构设计中的应用

为解决现有船舶结构初步设计过程中精细化程度不足的问题,开展基于多工况拓扑优化算法的归一化数学模型研究及其典型应用探索。本文将多工况拓扑优化算法引入到船舶结构初步设计中,提出了基于k方法的权因子确定方法,引入全局化应力约束条件,建立考虑应力约束函数的多目标拓扑优化数学模型,并对某高双层底实肋板结构进行多工况静力学拓扑优化研究。结果表明,最终构型能够满足应力应变等基本约束条件且具备较好的工艺性。相关研究成果为运用拓扑优化方法进行船舶结构初步设计提供一条切实可行的途径,具有一定的理论与工程应用价值。     

基于iSIGHT的船舶结构多学科设计优化

探讨运用多学科理论解决船舶结构设计的优化问题。在多学科设计优化方法的基本理论框架下,建立了船体结构优化设计的数学模型,结合iSIGHT软件平台,进行了多学科设计优化框架分析。最后,采用遗传算法,对典型集装箱船应力和位移进行了优化设计。算例表明本文所采用的优化算法能应用于工程实际。     

Least-weight topology and size optimization of high speed vehicle-passenger catamaran structure by genetic algorithm

Selection of the “best” or “optimum” engineering design has always been a major concern of designers. Reduction of hull weight is the most important aim in the structural design of many ship types. But the ability of designers to produce optimal designs of ship structures is severely limited by the calculation techniques available for this task. Complete definition of the optimal structural design requires formulation of size–topology–shape–material optimization task unifying optimization problems from four areas and effective solution of the problem. So far a significant progress towards solution of this problem has not been achieved. In other hand in recent years attempts have been made to apply genetic algorithm (GA) optimization techniques to design of ship structures. An objective of the paper was to create a computer code and investigate a possibility of simultaneous optimization of both topology and scantlings of structural elements of large spatial sections of ships using GA. In the paper GA is applied to solve the problem of weight minimization of a high speed vehicle-passenger catamaran structure with several design variables as dimensions of the plate thickness, longitudinal stiffeners and transverse frames and spacing between longitudinals and transversal members. Results of numerical experiments obtained using the code are presented. They show that GA can be an efficient optimization tool for simultaneous design of topology and sizing high speed craft structures.     

基于有限元法的小水线面双体船结构优化

小水线面双体船结构复杂,需要有效的工具对其进行优化设计,在满足强度刚度要求的情况下控制结构重量.本文利用优化软件Altair.OptiStruct、Msc.Nastran、iSIGHT对一艘小水线面双体船结构进行了尺寸优化、形状优化、和拓扑优化.结构优化基于有限元法完成,以结构重量作为目标函数,结构应力作为约束条件.优化结果表明,通过选择适当的设计变量,能够在结构应力不超过规定上限的条件下使结构重量显著降低并达到最小值.     

基于拓扑优化的油船货舱结构设计研究

研究油船货舱结构拓扑优化设计和普通构件级结构拓扑优化设计的不同点:如设计变量数目多、约束条件多、计算工况多以及计算工况之间应变能差异等。为使普通计算机也能运行舱段结构拓扑优化计算并得到清晰拓扑构型的结果,有必要对舱段拓扑优化设计的优化对象、单元类型、初始板厚、工具方法、约束条件、体积分数、工况加权权值等主要控制参数进行研究。文中给出工程上适用的舱段拓扑优化基结构建模方法和计算方法,并以某一单纵舱壁型VLCC为例,分别采用SIMP法和BESO法给出舱段主要支撑结构拓扑优化的清晰构型。     

舰船复合材料夹层板架结构的分级递进优化设计方法

由于复合材料板架结构具有各向异性、界面复杂及可设计变量众多等特性,因而在开展优化设计时往往困难重重。对此,采用分级递进优化设计方法。以某型舰甲板室舷侧复合材料夹层板架结构为对象,首先根据工程实际并结合复合材料板架结构的设计特点,提取所有可设计变量,并在此基础上分析所有设计变量的灵敏度特征规律;然后,对该夹层板架结构进行两级优化计算与分析;最后,对优化前后的计算结果进行对比分析。研究结果表明,分级递进优化设计方法能有效解决复杂的复合材料板架结构多变量设计问题。     

考虑依赖于结构形状的载荷的连续体结构拓扑优化

本文提出了一种基于SIMP密度函数插值模型,考虑依赖于结构形状的载荷,以给定材料用量为约束条件,以最小柔顺度为设计目标的拓扑优化方法-OC-LE法.文中考虑的载荷随结构拓扑的变化而渐进变化,载荷与拓扑变量交替更新,计算简单且易于程序实现.同时文中给出的二维连续体结构拓扑优化算例,向三维连续体的扩展也比较容易.     

基于均匀法的风雨载荷下折叠式舱口盖拓扑优化设计研究

本文以48500DWT散货船舱口盖为研究对象,提出改变传统折叠式舱口盖设计方法,引入拓扑优化的方法对舱口盖横梁腹板、纵桁腹板进行优化设计。通过ANSYS模拟仿真分析,找出最佳力传递路径的结构布置形式,根据优化结果提取节点信息,经过对拓扑优化后的模型进行二次优化,完善了拓扑优化的结果,使其材料布局形式更合理,研究结果表明,基于均匀法的拓扑优化方法运用于折叠式舱口盖的设计中,可改善舱口盖横梁腹板、纵桁腹板结构,保证其强度并且达到轻量化设计的目的,为舱口盖横梁腹板、纵桁腹板的结构设计提供参考依据。     

基于ANSYS的结构拓扑优化及其二次开发

本文吸收了"基结构法"和"均匀化法"的思想,提出了"通过力传递的路径来构造拓扑"和"逐次去劣、两极分化"的拓扑优化新思路和方法,对有限元软件ANSYS的拓扑优化功能作了二次开发,拓展了ANSYS拓扑优化结构单元的适用种类,且不仅可以求解连续结构的拓扑优化问题,还可以求解桁架结构的拓扑优化问题,编制了相应程序考证了连续体和桁架两种类型的典型算例,最后将此方法应用于一个船舶板架结构优化中,得到了预期的结果.     

Efficient optimization design method of jacket structures for offshore wind turbines

With the gradual implementation of offshore wind energy production, the future tendency is to expand into the deeper water. The jacket foundations will take the place of the present monopile foundations when the water depth increases. The foundations account for the majority of the construction cost for offshore wind farms, and the structural optimization of jackets will bring lucrative economic benefits. Structural optimization is a complex iterative process that requires huge computing costs. Therefore, this paper proposes a structural optimization method based on surrogate models to solve this problem effectively and swiftly obtain optimized design schemes of lightweight jackets for offshore wind turbines. The structural responses of jacket wind turbine systems under the equivalent static extreme loads with a recurrence period of 50 years are mainly considered in structural optimization design, and the key optimization variables of jackets are determined by parameter sensitivity analysis. The finite element models of jackets are transformed into surrogate models, and the genetic algorithm is employed to optimize the surrogate models directly. The optimized jackets are additionally verified through coupled dynamic analysis, besides, buckling strength and fatigue life are also checked. And local refined optimizations are carried out for the failure members. According to the optimized design schemes of lightweight jackets for 30 m, 50 m and 70 m water depths, it is demonstrated that the structural optimization design method is adequate and efficient for jackets of wind turbines. Parameter sensitivity analysis can cut the number of optimization variables in half to improve the optimization efficiency. Furthermore, the application of surrogate models can significantly speed up the optimization process by saving about 98.61% of the original time consumed. The optimization design method of the jackets for offshore wind turbines proposed in this paper is suitable for practical engineering, with high precision and efficiency.