理想材料零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、理想材料零件是指按照零件的最佳使用功能要求來設(shè)計(jì)制造，由均質(zhì)材料、呈梯度變化的組織成分、按一定規(guī)律分布的細(xì)結(jié)構(gòu)材料甚至嵌入器件等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)材料組織結(jié)構(gòu)和零件性能最佳組合的零件。通過各組分材料之間的相互作用以及材料分布規(guī)律、幾何外形和宏觀性能的完美結(jié)合，滿足著產(chǎn)品對零件日益增長的性能要求，達(dá)到節(jié)約資源的同時(shí)，大大提高了零件的整體性能，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于理想材料零件是典型按需要設(shè)計(jì)制造的非均質(zhì)材料零

2、件，傳統(tǒng)均質(zhì)材料零件的設(shè)計(jì)理論和制造方法已經(jīng)無法適用于理想材料零件，因此必須構(gòu)建新的理想材料零件設(shè)計(jì)理論與制造方法。 理想材料零件設(shè)計(jì)，是根據(jù)零件的功能要求，進(jìn)行外部幾何拓?fù)湫螤詈蛢?nèi)部材料組織與細(xì)結(jié)構(gòu)的一體化(融合)設(shè)計(jì)，是理想材料零件數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本論文針對于此展開，分別探討了連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和理想材料零件的材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了理想材料零件設(shè)計(jì)方法并將其應(yīng)用于定型模冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3、本論文首先探討了基于無單元Galerkin法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過實(shí)例得到了無單元法Galerkin中權(quán)函數(shù)及其相關(guān)參數(shù)的選取原則。以積分網(wǎng)格的高斯點(diǎn)厚度為設(shè)計(jì)變量，分別進(jìn)行剛性結(jié)構(gòu)、柔性機(jī)構(gòu)和具有復(fù)雜形狀工程零部件拓?fù)鋬?yōu)化，不僅方便了初始設(shè)計(jì)域的離散而且提高了設(shè)計(jì)結(jié)果的精度。將無單元Galerkin法與形狀優(yōu)化相結(jié)合，通過建立邊界輪廓變量與設(shè)計(jì)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)域及其內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的同步運(yùn)動(dòng)，徹底解決了形狀優(yōu)化過程中所出

4、現(xiàn)的網(wǎng)格扭曲問題。 在連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上，對孔洞的形狀實(shí)施約束，構(gòu)建了帶規(guī)則幾何約束的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型，提出了一種基于區(qū)間松弛策略的漸進(jìn)優(yōu)化方法對模型進(jìn)行求解。在此基礎(chǔ)上，得到了帶圓形孔洞約束的連續(xù)體結(jié)構(gòu)形狀和拓?fù)鋮f(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法解決了拓?fù)鋬?yōu)化過程中優(yōu)化變量之間難以建立幾何關(guān)聯(lián)的問題。 在理想材料零件設(shè)計(jì)域內(nèi)引入虛擬節(jié)點(diǎn)，并以虛擬節(jié)點(diǎn)的材料體分比分布規(guī)律來表征零件的材料特征。應(yīng)用改進(jìn)的實(shí)編碼遺傳算法

5、，得到了理想材料零件虛擬節(jié)點(diǎn)的材料體分比最優(yōu)值。借用三次B樣條函數(shù)插值技術(shù)對材料優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行曲線/面擬和，實(shí)現(xiàn)了理想材料零件的材料分布連續(xù)性和光滑性。 在連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及理想材料零件材料優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了理想材料零件設(shè)計(jì)方法。設(shè)定關(guān)鍵點(diǎn)來描述零件的幾何邊界特征，引入虛擬節(jié)點(diǎn)以表示零件的材料特征，定義零件內(nèi)孔洞的數(shù)量為其拓?fù)涮卣鳎⒔⒉牧咸卣?、形狀特征和拓?fù)涮卣魅咧g的函數(shù)映射關(guān)系，以描述不斷變化的零件模型。對于確

6、定拓?fù)涞睦硐氩牧狭慵缀魏筒牧喜⑿性O(shè)計(jì)，提出了可行方向法和遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化算法。采用基于目標(biāo)函數(shù)敏度分析的插孔策略進(jìn)行插孔，改變零件的拓?fù)錁?gòu)型。通過一系列拓?fù)錁?gòu)形情況下的理想材料零件幾何和材料并行設(shè)計(jì)，得到了理想材料零件幾何拓?fù)湫螤詈筒牧戏植嫉慕M合最優(yōu)值，解決了其中的幾何和材料耦合問題，實(shí)現(xiàn)了理想材料零件的材料與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。最后，將本文中理想材料零件設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于定型模冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。分別考慮均質(zhì)定型模和理想材料定型模，從優(yōu)