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非均质多孔材料与结构多尺度拓扑优化设计方法
| 论文题名： | 非均质多孔材料与结构多尺度拓扑优化设计方法 |
| 关键词： | 船舶轻量化设计;非均质多孔材料;拓扑优化;有限元分析 |
| 摘要： | 随着船舶制造业的快速发展，工业污染严重，环境问题日益严重。船舶领域，建造油耗少，低污染，环保节能的绿色船舶是实现节能减排、加强环境保护、提高结构性能的重要手段。船舶轻量化设计是建造绿色船舶，开发高技术船舶的关键技术之一，是未来船舶业发展的重要课题之一。因此无论是水上结构还是水下结构开展轻量化设计的研究工作十分重要。拓扑优化方法是实现轻量化设计，设计轻质结构的重要手段，相较于传统单一尺度下的结构拓扑优化设计，材料与结构多尺度拓扑优化设计能够实现材料与结构相匹配，进一步提高结构性能、降低结构重量。因此，本文基于移动等值面阈值法(Moving Iso-surface Threshold Method,MIST)提出非均质多孔材料与结构多尺度拓扑优化设计方法，主要研究内容如下： （1）基于MIST框架的非均质多孔可连接梯度微结构拓扑优化设计方法。综合考虑宏观结构的载荷和边界条件，以宏观结构刚度最大化为优化目标，在MIST框架下建立宏观结构性能与微观设计变量的关系，获得满足宏观结构性能最优的微结构拓扑形式，即初始微结构。基于初始微结构，利用渐进迭代算法获得一族非均质可连接多孔微结构，通过数值算例验证该方法的有效性。 （2）MIST与SIMP结合的材料与结构多尺度拓扑优化设计方法。利用渐进迭代算法获得一系列非均质多孔可连接梯度微结构，均匀化方法预测微结构的等效弹性属性，对任意中间密度单元，采用线性插值方法获得其等效弹性模量。采用SIMP方法在宏观尺度上对微结构的布局进行优化。通过数值算例验证该多尺度拓扑优化设计方法的有效性。 （3）简单驱动产生复杂变形的可调泊松比结构拓扑优化设计方法。针对一种泊松比可调的内凹蜂窝单胞，对其进行非线性大变形有限元分析，获得不同应变下泊松比与蜂窝结构内角的关系，建立结构的弹性模量关于蜂窝结构内角的解析表达式，利用拓扑优化设计方法，对结构内部泊松比的分布进行优化。通过数值算例验证优化后的结构可在简单的驱动下实现所设计的变形形式，验证了该方法的有效性，为变体结构的设计提供了方法基础。 |
| 作者： | 苏晓南 |
| 专业： | 水声工程 |
| 导师： | 陈文炯 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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