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仿生轻质筋结构的稳健性拓扑优化设计研究
| 论文题名： | 仿生轻质筋结构的稳健性拓扑优化设计研究 |
| 关键词： | 汽车保险杠;仿生轻质筋结构;离散拓扑;稳健性设计 |
| 摘要： | 周期性筋结构由于其良好的轻量化与耐撞性优势，被广泛应用于汽车、航空等各种领域，现有的均匀化、渐进结构进化等设计方法主要存在设计效率相对较低，设计构型单一，甚至无法处理大变形、高应变率等问题。因此，开发一套仿生梯度筋结构的通用高效稳健性离散拓扑优化设计方法对周期性筋结构应用至工业领域具有重要意义。本文以周期性筋结构为主要研究对象，提出了仿生梯度离散拓扑优化设计方法，而后进行了稳健性设计，并将其应用至保险杠系统。本文主要研究内容如下： (1)周期性筋结构的通用胞元设计。详细研究了现有的周期性筋结构的设计方法，发现传统试错设计得出的构型可能并非最优解且效率较低的问题。通过研究多种周期性筋结构的构型，提出一种通用的单胞结构，具备演化出现有绝大部分构型的潜力，并可以优化计算出设计人员难以想到的其它最优构型。 (2)开发离散拓扑优化设计方法。通过面向对象的参数化建模方法实现通用胞元设计变量的拓扑演化，将智能算法作为离散拓扑优化设计方法的迭代手段，避免了常见拓扑优化的敏度计算过程。利用数值算例和桁架算例验证方法可行性，之后对周期性筋结构进行了离散拓扑优化设计。 (3)开发仿生梯度结构的离散拓扑优化设计方法。在离散拓扑优化设计方法的基础上，基于Bézier曲线实现梯度分布厚度。优化选出最优解，将该仿生梯度结构与等厚度均匀结构进行耐撞性指标对比分析，检验仿生梯度结构的优势。 (4)基于田口方法和满意度函数的稳健性设计。利用田口方法和满意度函数进行多目标稳健性设计，将仿生梯度结构的离散拓扑优化设计中选取出的最优解作为田口试验的初始水平，梯度控制值波动量作为噪声因子进行稳健性试验，得出稳健性最优解，对实际生产设计有指导作用。 (5)仿生轻质筋结构在车身保险杠系统上的应用。将筋结构通用胞元修改应用至车身保险杠系统，并验证模型可靠性。利用开发的梯度离散拓扑优化设计方法进行计算，确定最优结构并对比初始车身结构，质量降低18.9%的情况下，比吸能提升27.1%。最后对其进行稳健性设计确定稳健性最优解，为周期性筋结构的结构设计提供了思路。 |
| 作者： | 汪来 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 岳晓丽;张慧乐 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东华大学 |
| 学位年度： | 2020 |
| 正文语种： | 中文 |
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