面向连接结构设计的归选式拓扑优化方法研究

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本文以连接结构的拓扑优化设计方法为研究对象,针对常规拓扑优化技术在连接结构优化设计领域面临的局限性,创新性地提出了将有限单元的归属状态作为设计变量的方法,使拓扑优化技术的应用范围从单一连续柔性体扩展到多柔性体的层面,并切实解决了某工程项目中用于挤压铝合金板间连接的榫卯接头的优化设计问题。这种面向连接结构设计的新方法被命名为归选式拓扑优化方法(Attribution-selection Topology,简写为ATS Topology)。首先,通过对几种主要的拓扑优化技术的基本原理和特点的分析,明确了这些常规方法在连接结构优化设计这一应用领域的局限性。为了解决工程实际中连接结构设计的盲目性和随意性,提出将单元的归属状态作为设计变量,使常规的‘0-1’优化问题转化为适用于连接结构的‘1-2’优化问题。随后根据元胞自动机理论(Cellular Automata,简写为CA)的原理和特点,搭建了基于CA的优化模型,并提出基础单元、增幅技术等创新概念,实现对场变量的修正。在这一过程中,为了解决基于两点控制策略的局部控制规则(local rule)在功能上不完善的问题,采用三个判别式的布尔运算的组合作为误差信号,并据此构建了局部控制规则,完成了对局部设计变量的更新。其次结合一个工程中的实际算例,对本方法的优化结果进行了分析和工程解读,并在修正了接触面间隙、边界光滑性等模型误差后,再次对优化结果进行了性能验证。分析结果表明归选式拓扑优化方法能够产生具有启发意义的连接结构形式,并在一定程度上提高连接结构的连接刚度。最后,以实际算例为依据,客观评价了归选式拓扑优化方法的优势和不足。分析认为归选式拓扑优化方法能够满足工程需要,但同时也存在模型精度不高等缺陷,并对改善这些缺陷的思路展开了初步讨论,为后续的研究提供一定的参考。
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