超轻材料微结构构型的拓扑优化方法.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

由于超轻材料具有低热导率、抗冲击、耐腐蚀、保温、隔声等特性，越
来越受到人们的重视。尤其是超轻材料具有减轻结构重量的特性，像蜂窝、
合金、复合材料等超轻材料，已被广泛地应用到航空和航天领域。为了能充
分发挥材料的功效，改善结构性能，减轻结构的重量，提高结构的刚度，本
文利用拓扑优化的方法，寻求轻质材料的最优结构，从而降低设计成本，减
少投资，缩短研制周期，扩大超轻质材料的应用。
拓扑优化是进行结构设计的重要方法，它使结构在概念设计阶段即可灵
活地、理性地进行方案优选，这对结构设计人员很具吸引力。结构拓扑优化
可以产生轻质多功能结构的创新构型，对于同一种材料制造成具有不同结构
构型的新材料，其宏观的有效性质将和原材料有显著差别，并能充分发挥材
料的功效。目前，利用一些现有的软件进行结构拓扑优化，可以获得较理想
的拓扑结构。
本论文将变密度方法和优化准则法成功地应用到连续体及微结构的拓
扑优化设计中。应用有限元方法实现了结构的力学特性、位移场和应力场的
高效率、高精度的计算，为后续的拓扑优化设计提供了完整可靠的数据。应
用变密度法建立结构拓扑优化数学模型减少了设计变量的数量;采用优化准
则法进行求解，提高了计算效率。通过引入初始应力载荷将变密度法和优化
准则法应用到平面微结构的拓扑优化设计中，并取得较理想的优化结果。

关键词拓扑优化;变密度方法;优化准则法;微结构
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Duetothesuper-lightmaterialhasmanypositivecharacteristicssuchas
low-1外ngthermalconductivity,resistancetoimpact,corrosionprevention,heat
preservationandsoundproof,moreandmoreresearchesarefocusingonit
Especially,owingtheabilityoflighteningweight,forexample,thecellular
material,alloyandcompositematerialhavebeenwidelyusedinaerospacefield.
Toadequatelybringintoplayadvantageofthematerial,improveperformanceof
structure,lightenstructuralweightandbooststructuralstifness,inthispaperwe
usetopologicaloptimizationmethod,toseektheoptimalstructure,andtoreduce
thedesigncost,investment,abbreviatelead-timeandexpanditsapplication.
Thetopologyoptimizationisanimportantmethodinstructuraldesigingn,
thedesignstafcanneatlyandreasoninglychoosegoodblueprintduringthe
embryonicdesignstage,themethodhasaffinityforthestructuraldesignstafand
cancomeintobeingnewconfigurationoflightandmultifunctionalstructural,
whichhasdiferentstructuralconfigurationandhasvisiblecontrastbetweenraw
stockandnewmaterial,andexertefficacyofmaterialfully.Now,relativeperfect
topologystructurecanbeobtainedbyavailablesoftwareinstructuraldesign.
Inthispaper,variabledensitymethodandoptimizationcriteriamethod
triumphantlyareappliedtotopologicaloptimizationdesignofnoindividualbody
andmicro-configuration.UsingtheFEM伊initeElementMethod)realizedthe
highefficiencyandaccuracycomputationinmechanicalproperty