复杂非均质功能构件的个性化定制方法及软件实现

摘要

非均质材料是由两种或两种以上材料组成,在几何和拓扑关系不变的情况下通过改变材料组份分布来使材料性能达到最佳。传统复合材料存在明显的界面,各相的热膨胀系数和热应力差别很大,会出现龟裂等现象,而且材料分布比较单一。非均质功能构件不仅能够满足重要的功能需求,它还融合了每种材料不同的物理特性于一个实体,另外,非均质功能构件还解决了传统构件中材料不相容的问题,像应力集中、热应力膨胀等。因此,本课题对复杂非均质功能构件的个性化定制方法及软件实现进行了研究,取得了以下成果：
　　(1)提出了一种非均质功能构件的优化设计方法,在不改变几何和拓扑关系的情况下,合理改变材料的组份分布来改变构件的热应力分布,最后通过ANSYS的拓扑优化程序来实现非均质材料的优化设计。
　　(2)完成了对ANSYS的拓扑优化模块的二次开发。利用ANSYS的参数化设计语言APDL编写优化算法,拓展了 ANSYS 的拓扑优化功能,二次开发得到的优化程序适用于各种连续体单元。
　　(3)实现了 VC++6.0 对 ANSYS 的二次开发,用户只需输入自己所需的物理性能参数,系统就能自动调用ANSYS计算程序,自动进行网格划分、加载载荷以及自动求解。用户输入计算参数,即可调用后台的ANSYS命令进行计算,ANSYS把计算结果返回给用户,进行后处理。
　　(4)利用ANSYS的参数化设计语言APDL编写程序和优化算法,实现了三维飞轮实体的参数化建模和非均质飞轮的优化设计,并实现了非均质飞轮材料组份分布的可视化,优化结果证明此方法的可行性。

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第一章 绪论

§1-1 课题研究的背景及意义

§1-2 国内外研究现状

§1-3 本领域存在的问题

§1-4 课题的研究内容

第二章 非均质材料的热应力分析

§2-1 热弹性力学的基本方程

§2-2 热应力分析

§2-3 热应力分析中的等参数单元

§2-4 热传递问题分析

§2-5小结

第三章 ANSYS软件以及二次开发

§3-1有限元方法

§ 3-2 有限元软件ANSYS的二次开发

§3-3小结

第四章 非均质功能构件的拓扑优化定制理论

§4-1 非均质材料的概述

§4-2 非均质材料的物理性能的预测

§4-3 非均质材料的拓扑优化设计

§4-4 小结

第五章 非均质功能构件优化设计实例

§5-1 优化设计的基本理论

§5-2 二维非均质材料的拓扑优化设计

§5-3三维非均质飞轮的拓扑优化设计

§5-4 小结

第六章 结论与展望

§6-1 全文总结

§6-2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果