长大结构横向碰撞的快捷拓扑优化方法及在逃生管道中的应用

摘要

具有较大长宽比且轴向截面相同的长大结构标准段遭受物体横向碰撞作用时，碰撞变形区域往往集中在设计区域的局部，对其它非接触碰撞区域的影响很小。常规拓扑优化求解时间长并且无法得到清晰的、孔洞结构的拓扑构型，而长大结构端部主要用于结构的连接与强度校核。因此，本文开展了长大结构标准段的拓扑优化方法研究。 首先，以逃生管道的耐撞性分析为切入点，并分析了结构拓扑优化及混合元胞自动机方法;在此基础上，提出了一种基于HCA方法的长大结构标准段快捷拓扑优化方法，实现长大结构标准段的整体结构优化设计。该方法将材料属性作为设计变量，结构的最小内能变化为目标函数，通过Hertz接触碰撞理论确定设计区域的子域范围，从而快速地获得清晰的、孔洞结构的拓扑构型。利用所提出的方法，对逃生管道进行了拓扑优化分析，讨论了逃生管道的优化子域在有无施加几何拉伸约束条件下的拓扑构型。结果表明，在优化之后，均可快速得到清晰的、孔洞结构的拓扑构型，相对于常规拓扑优化计算时间节省了近82％。然而，根据工程实际施加了几何拉伸约束获得的拓扑构型更加利于截面拓扑构型的提取。 其次，为了实现新型逃生管道多目标稳健性设计，结合信噪比与满意度函数，提出了一种基于满意度函数的多目标稳健性设计方法。该方法将产品质量特性的信噪比转换为产品质量特性所能达到的满意度，同时满意度具有田口稳健性设计的望大特性，从而可实现信噪比与满意度之间的相互转换，最后通过加权几何均值实现结构的多目标稳健性设计。运用该方法对新型逃生管道实施了多目标稳健性设计。结果表明，稳健性设计后的新型逃生管抵抗噪声因子的干扰能力增强，结构更稳健，稳健解相对其最优解的新型逃生管道质量降低了9.6％。 最后，利用新型逃生管道取代传统的逃生管道结构，对隧道安全逃生管道车结构进行了设计，有效地解决了传统逃生管道质量较重、在隧道施工过程中移动不便等问题。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1问题的提出

1．2研究现状

1．2．1逃生管道的研究现状

1．2．2耐撞性拓扑优化的研究现状

1．3本文主要研究内容

第二章评价指标确定及逃生管道的耐撞性分析

2．1逃生管道有限元模型

2．1．1几何模型

2．1．2材料属性

2．1．3有限元模型

2．1．4材料模型验证

2．2逃生管道评价指标的确定及撞击理论分析

2．2．1逃生管道安全性评价指标的确定

2．2．2撞击力计算

2．2．3受撞击力作用的逃生管道凹陷变形计算

2．3逃生管道的耐撞性分析

2．3．1不同工况条件下的逃生管道凹陷变形结果分析

2．3．2不同直径的逃生管道凹陷变形结果对比分析

2．3．3关门塌方的逃生管道有限元仿真分析

2．4本章小结

第三章横向碰撞时长大结构整体优化设计的快捷拓扑优化方法

3．1结构拓扑优化技术

3．1．1结构拓扑优化的理论基础

3．1．2结构拓扑优化的数学模型

3．2混合元胞自动机的结构拓扑优化方法

3．2．1混合元胞自动机方法的基本原理

3．2．2材料参数化

3．2．3优化目标

3．2．4收敛准则

3．3长大结构标准段快捷拓扑优化方法研究

3．3．1长大结构标准段快捷拓扑优化问题描述

3．3．2长大结构标准段快捷拓扑优化子域L的近似求解

3．3．3长大结构标准段快捷拓扑优化数学模型

3．3．4长大结构标准段快捷拓扑优化方法的求解流程

3．4本章小结

第四章长大结构快捷拓扑优化方法的应用及验证

4．1逃生管道常规拓扑优化

4．1．1逃生管道拓扑优化模型建立

4．1．2定义碰撞工况以及试验条件

4．1．3逃生管道常规拓扑优化结果分析

4．2不同长度的逃生管道拓扑优化

4．2．1不同长度的逃生管道拓扑优化模型的建立

4．2．2不同长度的逃生管道拓扑优化结果分析

4．3长大结构快捷拓扑优化方法在逃生管道中的应用

4．3．1未施加几何拉伸约束条件下的快捷拓扑优化分析

4．3．2施加几何拉伸约束条件下的快捷拓扑优化

4．3．3不同SPC约束条件的快捷拓扑优化分析

4．3．4常规与快捷拓扑优化方法的计算时间对比分析

4．4拓扑构型的提取及验证分析

4．4．1新型逃生管道的提出

4．4．2新型逃生管道基本尺寸的确定

4．4．3新型逃生管道与传统逃生管道仿真结果对比分析

4．5本章小结

第五章新型逃生管道多目标满意稳健性设计方法

5．1稳健性设计概述

5．1．1稳健性设计的基本意义

5．1．2稳健性设计的基本原理

5．1．3稳健性设计的基本思想

5．2多目标满意稳健性设计方法

5．2．1田口稳健性设计

5．2．2满意度函数的建立

5．2．3基于S／N与满意度的多目标稳健性设计

5．3新型逃生管道的参数优化设计

5．3．1优化目标的定义

5．3．2因素与水平的确定

5．3．3正交试验结果分析

5．4新型逃生管道多目标满意稳健性设计

5．4．1可控因素和噪声因素的确定

5．4．2多目标满意稳健性设计的试验方案设计

5．4．3多目标满意稳健性设计的最优组合分析

5．4．4稳健性设计的结果对比分析

5．5本章小结

第六章优化后的新型逃生管道结构设计及应用研究

6．1新型逃生管道车的设计目的

6．2新型逃生管道车主要部件的结构设计

6．2．1新型逃生管道的结构设计

6．2．2新型逃生管道车连接结构设计

6．2．3新型逃生管道车承载结构设计

6．3新型逃生管道车安全性分析

6．3．1新型逃生管道车有限元模型的建立

6．3．2新型逃生通道车的碰撞仿真分析

6．4本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录