拓扑优化类桁架结构解析描述方法

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本文主要研究基于类桁架结构模型的拓扑优化方法后处理问题。类桁架结构离散化方法很多,但是目前多数离散化方法并不准确或者离散化过程不够合理。针对该问题,首先,本文提出了类桁架结构的解析描述方法,将类桁架结构用解析表达式描述,通过解析函数精确定位类桁架结构的杆件分布。过程中涉及函数模型建立、曲线拟合以及Matlab编程等多种数学以及计算机手段。最终以四个结构优化问题为算例展现了基于本文方法的类桁架结构解析描述优化结果。此外,本文采用基于类桁架结构解析描述方法将类桁架结构离散化为离桁架以及均匀等厚带孔板件的离散化方法。并得出了三种经典Michell桁架问题的离散桁架及对应的带孔板件。本文研究成果主要有以下几点:(1)提出了一般多项式函数拟合方法。利用样条插值方法建立一般多项式函数。再利用最小二乘法原理对类桁架结构线性描绘结果进行函数拟合。该方法操作简单、优化效果一般且能调控结果的杆件数量。但是该方法拟合范围小,误差相对较大。(2)提出了参数函数拟合方法。以弧长为参数建立参数函数模型,再利用最小二乘法原理对类桁架结构线性描绘结果进行函数拟合。该方法拟合范围大、优化效果良好。且以弧长为参数使得杆件上两点间杆件长度计算变得更为简单。(3)提出了高维参数函数拟合方法。以参数函数拟合方法的结果为基础,将每根杆件的系数作为一组数据,利用高维参数函数进一步拟合。该方法拟合效果最佳,结果杆件数量可调控且分布均匀。但是该方法目前仅能处理悬臂梁问题。(4)提出了类桁架结构离散为离散桁架以及带孔板件的离散化方法。该方法以类桁架结构解析描述方法的结果为基础,利用一系列数学以及计算机手段将类桁架结构离散化为离散桁架与均匀等厚带孔板件。离散桁架杆件位置精确、误差小且杆件数量可调控;利用该方法得出的带孔板件孔洞位置精确、孔洞边界清晰明确且孔洞数量可调控。
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