面向增材制造连续体结构轻量化方法研究

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随着增材制造技术及轻量化技术的快速发展,航空航天、汽车等高技术型产业对零件轻质的要求越来越高,而现有的轻量化设计方法在传统的生产制造中难以实现。所以,增材制造技术与轻量化技术的结合发展是一大趋势,可以通过增材制造实现结构的轻量化设计和制造,具有明显的优势。对于结构轻量化设计而言,优化方法有很多,而结构拓扑优化是实现结构轻量化设计的有效手段之一,现有的结构拓扑优化仍存在网格依赖性、局部极值等数值不稳定问题,并且结构拓扑优化结果不能直接进行增材制造,还需考虑制造约束进行再设计。本文旨在研究面向增材制造连续体结构轻量化方法,主要针对“软杀”双向渐进优化方法进行研究改进,并将改进后的拓扑优化方法运用到连续体结构——鹅颈铰链轻量化设计中,考虑增材制造的制造因素对鹅颈铰链进行轻量化后成型再设计,进而验证该轻量化方法的实用性和广泛性。论文的主要研究内容如下:(1)针对现有结构拓扑优化方法容易出现的棋盘格、网格依赖性和局部极值等数值不稳定现象以及迭代速率慢的问题,本文在“软杀”双向渐进法(BESO)的基础上,研究体积约束条件下改进的单约束DBESO优化方法。在MATLAB编程环境下,通过二维短悬臂梁和三维简支梁结构的拓扑优化算例,验证该改进结构拓扑优化方法的优越性及可行性。(2)在上述改进DBESO优化方法基础上,考虑轻量化过程中位移对零件性能的影响,进一步设定位移、体积多约束条件,研究改进的多约束DBESO优化方法。在MATLAB编程环境下,通过二维Michell型结构和三维上承式桥结构的拓扑优化算例,验证该改进的多约束结构拓扑优化方法的优越性及可行性。(3)针对实际应用中的零件结构较为复杂,无法直接应用MATLAB对零件进行轻量化设计的问题,本文基于ANSYS软件,将改进的结构拓扑优化方法通过APDL开发工具进行二次开发,运用二次开发后的轻量化方法实现对复杂零件的轻量化设计。(4)考虑增材制造的制造约束限制,对鹅颈铰链进行基于改进的结构轻量化方法的轻量化设计和成型再设计并进行静力学仿真分析,证明本文所研究的增材制造结构轻量化方法是可行的。
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