拓扑优化在机械产品设计中的应用研究

摘要：

拓扑优化主要研究在给定设计空间,支撑条件,载荷条件等要求下材料的最优分布问题.相对于尺寸优化和形状优化而言,拓扑优化在理论和计算上要更为复杂,也是当前结构优化设计领域最具有挑战性和潜在经济效益的研究课题之一.在概念设计阶段,拓扑优化可以对产品所需性能全部予以考虑,在给定的设计空间下找到最佳的设计思路,并直接给出改进方案,而不仅仅是校核,从而真正帮助工程师设计出创新可靠的产品.由于其在产品设计中的基础性作用,拓扑优化被应用于航空航天,材料,车辆,机械等诸多工程领域的优化设计.论文在分析总结相关研究成果的基础上,以拓扑优化在机械产品设计中的应用研究为主线,以拓扑优化方法的基础理论,常用方法,优化算法,关键问题及应用研究为提纲进行展开.论文首先对拓扑优化中常用的材料插值方法进行总结研究,系统研究了均匀化理论和SIMP材料插值方法,推导了基于SIMP方法的拓扑优化模型,得出了基于优化准则法的迭代格式及分析流程.针对以多孔材料,棋盘格,网格依赖性和局部极值为代表的拓扑优化中常见的数值不稳定性现象,论文深入研究了这些现象产生的因为,解决措施及各自特点;以编程软件为工具,研究了典型二维结构的拓扑优化问题:以商业软件为平台,解决了较为复杂的实际工程应用问题.论文系统深入分析了现有机械产品设计流程中存在的缺陷,通过大量的工程实例,说明拓扑优化方法在机械产品设计中的应用流程及关键性问题.

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