集中力擴散結構的優(yōu)化設計.pdf

1、碩士學位論文集中力擴散結構的優(yōu)化設計D e s i g n O p t i m i z a t i o no f C o n c e n t r a t e d f o r c e d i f f u s i o ns t r u c t u r e s學 號： 2 1 1 0 3 1 0 5大連理工大學D a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y大連理工大學碩士學位論文摘

2、 要航天運載器是一個由多個部段組裝而成的復雜結構。在實際設計中，外部載荷的傳遞方式往往由運載器中各部段之間的連接結構的形式所決定。外部載荷在結構內部傳遞的過程中往往被轉化為集中力載荷作用。為了降低集中載荷對結構造成的剛度、強度以及穩(wěn)定性的破壞以及不利作用，設計者通常需要在指定區(qū)域布置特定的結構來擴散集中載荷作用。本文主要探索了實際工程中的集中力擴散結構在多種設計要求下的概念優(yōu)化設計以及精細優(yōu)化設計問題。M i c h e l l 桁架理

3、論是桁架結構拓撲優(yōu)化中的經典理論，研究將集中力以最優(yōu)的桁架結構傳遞到給定的支座。集中力作用方向以及集中力和支座的相對位置決定了最優(yōu)M i c h e l l 桁架的布局。當集中力垂直于支撐邊界時，傳統(tǒng)的M i c h e l l 桁架理論給出的解是一根與邊界垂直的直桿，而實際工程中需設計最優(yōu)集中力傳遞路徑，使得其可以均勻地分布到支承邊界。因此，盡管集中力擴散結構的優(yōu)化設計也是尋求最優(yōu)的傳力路徑，但是M i c h e l l 桁架理論并

4、不能為這個問題提供解答。基于此，本文提出集中力擴散問題的連續(xù)體拓撲優(yōu)化模型，其中優(yōu)化目標為最小化結構柔順性，設計約束為材料體積用量以及指定區(qū)域的節(jié)點內力方差，并給出二維和三維兩種優(yōu)化算例。上述連續(xù)體拓撲優(yōu)化給出了集中力擴散結構最優(yōu)布局的概念設計，但是，實際工程希望得到更精細、可加工的設計，需要我們研究結構拓撲優(yōu)化設計結果的解讀方法，即結構拓撲特征提取。本文從拓撲優(yōu)化結果密度分布的等值線入手，以工程中常見的結構形式對概念設計進行拓撲特征提

5、取。在密度等值線提取結果的基礎上，結合工程中對結構拓撲優(yōu)化的樸素認識和常見的結構形式，進一步將特征提取結果規(guī)則化，得到兩種可能的結構形式，分別是“大開孔”結構和“類桁架”結構。在這兩種結構形式基礎上，綜合采用形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等方法，本文實現了從概念設計到結果解讀再到精細設計的創(chuàng)新設計流程。最后，依照提出的優(yōu)化設計流程，本章分別對平板集中力擴散結構和“貯箱短殼放射肋”的集中力擴散結構的優(yōu)化設計進行研究，均得到了滿足工程設計要求的結構方案