某机载控制台拓扑优化设计研究

摘要

结构拓扑优化是近年来结构优化研究领域中的前沿课题和热点问题，它可在改善或保持结构性能的基础上实现材料最优分布。采用拓扑优化技术不仅能缩短设计周期，降低装备重量，提升产品整体设计水平，而且还可以解决复杂结构在传统设计中难以解决的设计问题。本文以某机载控制台为研究对象，利用有限元分析法与结构拓扑优化技术相关的理论和方法，对机载控制台进行结构优化设计。
　　根据数学规划法相关理论，采用宽容分层序列法对控制台下台体结构进行分步拓扑优化设计，以实现特定结构的多目标拓扑优化问题。第1步以刚度为优化目标、体积分数为约束条件进行拓扑优化设计获得拓扑优化结果。增加优化结果设计宽容值重新建立拓扑优化设计空间。第2步以一阶频率为优化目标，以体积分数与频率响应位移作为约束条件进行拓扑优化分析，获得拓扑优化设计概念模型。然后对拓扑结果进行局部调整后，并参照传统设计的截面尺寸与厚度进行参数化技术建模，最终得到拓扑优化设计结果模型。
　　基于拓扑优化结果模型选取下台架结构各杆件的厚度作为设计变量，分别以下台架结构的一阶、二阶固有频率作为优化目标，以总重量作为约束条件进行灵敏度分析，并根据灵敏度分析结果重新选择优化设计变量对控制台下台架进行二级尺寸优化。尺寸优化后比尺寸优化前质量约减轻5.711％，同时一阶固有频率提升40.45%、二阶固有频率提升46.58%，改变效果十分明显。通过对传统（常规）设计的结构与拓扑设计获得的结构进行模态分析对比，结果表明拓扑设计获得的结构比传统设计结构质量增加较小，但是低阶固有频率提高显著，说明通过拓扑设计获得的结构比传统设计结构具有较好动态性能。最后对拓扑优化获得的控制台结构与传统设计结构进行随机振动仿真分析对比验证，并通过振动试验测试进行验证，表明设计结果的准确、可靠。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 结构拓扑优化设计研究综述

1.3 拓扑优化常用方法简介

1.4 课题研究意义和本文主要工作

1.5 本章小结

2 拓扑优化理论基础

2.1 拓扑优化基本概念

2.2 拓扑优化变密度法迭代算式

2.3 拓扑优化常用数学算法

2.4 本章小结

3 软件介绍与优化设计流程

3.1 HyperWork软件简介

3.2 Optistruct优化模块介绍

3.3 控制台下台体结构优化设计流程

3.4 本章小结

4 拓扑优化设计

4.1 多目标优化问题概述

4.2 宽容分层序列法

4.3 拓扑优化设计流程图

4.4 拓扑优化初始设计模型

4.5 拓扑优化离散模型的建立

4.6 第一步拓扑优化设计

4.7 第二步拓扑优化设计

4.8 基于拓扑优化结果的建模

4.9 本章小结

5 基于拓扑优化结果的二级尺寸优化

5.1 灵敏度分析的应用

5.2 模态灵敏度理论

5.3 灵敏度分析

5.4 尺寸优化

5.5 传统设计与拓扑设计对比分析

5.6 本章小结

6 随机振动分析与试验

6.1 随机振动分析

6.2 随机振动试验介绍

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢