發(fā)布時間：2017-08-30 17:40

  本文關鍵詞：基于整體—局部思想的結構形狀優(yōu)化方法研究

  更多相關文章： 整體局部法 超橢圓 定切割邊界 不定切割邊界 插值誤差 有限元 液壓機 形狀優(yōu)化

【摘要】：結構形狀優(yōu)化旨在通過調整設計邊界形狀,來達成優(yōu)化目標。如通過形狀優(yōu)化方法來提高結構強度或剛度、降低應力集中或提高設備零部件固有頻率等。但是在形狀優(yōu)化過程中,存在單元剛度矩陣與設計變量之間呈非線性關系,設計邊界描述困難,以及形狀優(yōu)化過程中往往還涉及到力學分析等諸多問題,故對于計算量本來就很大的大型復雜工程結構而言,其形狀優(yōu)化計算量將非常龐大。如果僅需優(yōu)化大型結構中的局部形狀,計算機將需要做許多無謂的計算。用引入新數值方法或提高計算機硬件配置的方法來解決大型結構局部優(yōu)化時計算量大的問題,顯然比較困難,也不具備普適性。因此最好的做法是僅僅截取整體模型中需要優(yōu)化的那部分局部模型進行優(yōu)化,以消除多余的計算量。 針對大型復雜工程結構局部形狀優(yōu)化計算量大以及設計邊界描述困難等問題,本文探討了將整體局部方法應用在以有限元為基礎的結構形狀優(yōu)化中的可行性,給出了切割邊界插值誤差的修正方法。同時采用超橢圓方程來描述設計邊界形狀,驗證其在以圓弧過渡的邊界形狀優(yōu)化設計中的可行性。結果表明,只要切割邊界插值誤差得到修正,整體局部法就能夠在保證結果準確的前提下,顯著提高優(yōu)化效率,且由于采用超橢圓方程來描述設計邊界形狀,因而設計變量只有3個,可以非常方便地利用內嵌于一般通用有限元分析軟件的優(yōu)化設計模塊來描述和求解最優(yōu)過渡圓弧形狀。 首先,本文以彈性力學的經典問題——無限大平面中心孔的應力集中系數問題為例,將整體局部法及超橢圓方程應用于其中心孔的形狀優(yōu)化中,解決了工程結構局部形狀優(yōu)化中計算量大、優(yōu)化效率低、設計邊界描述困難等問題,為下文液壓機喉口過渡圓弧形狀優(yōu)化奠定了基礎。在此基礎上給出了應用整體局部法進行局部形狀優(yōu)化時出現(xiàn)的兩類切割邊界插值誤差：定切割邊界局部形狀優(yōu)化問題插值誤差和不定切割邊界局部形狀優(yōu)化問題插值誤差的修正方法。結論表明,只要切割邊界插值誤差得到修正,就可以用整體局部法進行局部形狀優(yōu)化。文中給出的兩種誤差修正方法：重新截取子模型法和將上次優(yōu)化結果代入下次優(yōu)化法,都可以有效修正切割邊界插值誤差。對于不定切割邊界形狀優(yōu)化問題也可以用定切割邊界形狀優(yōu)化問題的誤差修正方法,因此定切割邊界形狀優(yōu)化方法具有更好的通用性。但是由于設計邊界形狀的變化對切割邊界位移插值的準確性有一定影響,所以不定切割邊界形狀優(yōu)化方法的結果更接近真實解。 隨后,本文應用有限元分析優(yōu)化軟件ANSYS的參數化設計語言APDL建立了某型開式100噸液壓機的有限元模型。針對液壓機的實際工況及有限元分析的特點,施加適當的邊界條件后,采用不同求解器對液壓機機身進行靜力學分析,比較不同求解器所需硬件代價與時間代價。 最后,根據前文的結論,分別用定切割邊界問題和不定切割邊界問題的切割邊界插值誤差修正方法對以超橢圓方程描述的液壓機喉口過渡圓弧進行局部形狀優(yōu)化,結果表明,喉口處最大應力由242.32MPa減小到70.682MPa且優(yōu)化機時大幅減少,優(yōu)化效果非常明顯。
【關鍵詞】：整體局部法 超橢圓 定切割邊界 不定切割邊界 插值誤差 有限元 液壓機 形狀優(yōu)化
【學位授予單位】：揚州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TH122
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-14
• 1.1 結構形狀優(yōu)化綜述9-10
• 1.2 國內外結構形狀優(yōu)化的研究現(xiàn)狀10-11
• 1.3 整體局部思想的由來及實現(xiàn)途徑11-12
• 1.4 液壓機喉口形狀優(yōu)化的研究現(xiàn)狀12-13
• 1.5 本課題主要研究內容13-14
• 第二章 有限元方法與ANSYS簡介14-17
• 2.1 有限元方法的簡介14-15
• 2.2 有限元分析優(yōu)化軟件的選擇15-16
• 2.3 本章小結16-17
• 第三章 基于有限元方法的結構形狀優(yōu)化原理17-28
• 3.1 基于限元的形狀優(yōu)化中設計邊界描述方法17-18
• 3.1.1 網格節(jié)點描述法17
• 3.1.2 邊界幾何參數描述方法17-18
• 3.2 結構形狀優(yōu)化的數學模型18-21
• 3.2.1 設計變量18-19
• 3.2.2 約束函數(約束條件)19
• 3.2.3 目標函數19-20
• 3.2.4 數學模型的一般形式及解法20-21
• 3.3 形狀優(yōu)化的靈敏度分析21-26
• 3.4 優(yōu)化迭代的收斂準則26-27
• 3.5 本章小結27-28
• 第四章 ANSYS結構形狀優(yōu)化方法28-31
• 4.1 ANSYS結構形狀優(yōu)化的相關參數28
• 4.2 ANSYS中結構形狀優(yōu)化方法28-29
• 4.3 迭代終止判定(收斂準則)29-30
• 4.4 本章小結30-31
• 第五章 整體局部法形狀優(yōu)化的插值誤差修正31-40
• 5.1 子模型技術31-32
• 5.2 插值誤差修正方法32-34
• 5.3 孔形狀的參數化描述方法34-36
• 5.4 結果與討論36-39
• 5.4.1 不定切割邊界問題的誤差修正36-37
• 5.4.2 定切割邊界問題的誤差修正37-39
• 5.5 本章小結39-40
• 第六章 液壓機機身的限元分析40-48
• 6.1 液壓機機身幾何模型的建立40-41
• 6.2 單元的選擇41-43
• 6.3 機身有限元模型的生成43
• 6.4 邊界條件施加43-44
• 6.5 機身結構靜力分析44-47
• 6.6 本章小結47-48
• 第七章 喉口上過渡圓弧的形狀優(yōu)化48-54
• 7.1 設計邊界的描述方法48
• 7.2 子模型的選取48-51
• 7.3 喉口不定切割邊界形狀優(yōu)化51-52
• 7.4 喉口定切割邊界形狀優(yōu)化52-53
• 7.5 本章小結53-54
• 第八章 結論與展望54-56
• 8.1 總結54
• 8.2 工作展望54-56
• 附錄56-63
• 參考文獻63-65
• 致謝65-66
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文66-67

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前2條

1 郭彤;李愛群;費慶國;王浩;;零階與一階優(yōu)化算法在懸索橋模型修正中的應用對比分析[J];振動與沖擊;2007年04期

2 吳志學;機械零件形狀優(yōu)化設計的仿生學方法[J];中國機械工程;2005年10期

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本文編號：760718