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原文传递 ABAQUS-MATLAB拓扑优化集成方法及碰撞拓扑优化研究

论文题名：	ABAQUS-MATLAB拓扑优化集成方法及碰撞拓扑优化研究
关键词：	汽车吸能盒;拓扑优化;耐撞性;混合元胞自动机
摘要：	拓扑优化是一种根据载荷工况、约束条件和性能指标，在设计区域内进行材料分布优化的方法，是产品概念设计的重要方法之一。目前，众多拓扑优化方法实现的基础程序主要采用MATLAB语言编写，其往往只能进行简单典型算例的拓扑优化，存在难以直接用于复杂系统拓扑优化设计的问题，而以ABAQUS为代表的商业软件具有强大的有限元计算能力，在接触碰撞分析方面尤为突出。开展ABAQUS-MATLAB拓扑优化集成框架及其平台研究，为拓扑优化基础程序实现复杂系统的快速应用提供有力支撑，具有重要的理论意义和实际应用价值。　　本文提出了一种针对模型数据库文件的 ABAQUS-MATLAB 拓扑优化集成框架，该框架不同于采用第三方工具包和输入文本文件类型的集成方法，其扩展性强、可视化程度高、稳定性好；而后，实现了基于固体各向同性材料惩罚法（SIMP）的 ABAQUS-MATLAB 拓扑优化集成方法，通过多个典型数值算例验证了该集成方法的可行性；进而，结合双向渐进结构拓扑优化法（BESO）和等效静态载荷法（ESLO）实现了碰撞拓扑优化集成方法，获得了以刚度最大化为目标的汽车吸能盒碰撞拓扑优化结果；最后，发展了基于该集成框架的混合元胞自动机（HCA）碰撞拓扑优化平台，开展了汽车吸能盒耐撞性拓扑优化研究。论文的主要研究内容如下：　　（1）分析了ABAQUS文件类型与脚本接口、MATLAB语言特点，确定了基于模型数据库文件的 ABAQUS-MATLAB 拓扑优化集成框架总体方案，阐述了SIMP法的拓扑优化原理及其与所提出集成框架的关系，为后续拓扑优化集成方法实现提供理论和条件支撑。　　（2）研究了采用 SIMP 法建立结构拓扑优化集成方法所需的 Python 程序、MATLAB程序及其数据传递关系，建立了基于SIMP法的ABAQUS-MATLAB拓扑优化集成方法，利用该方法在ABAQUS-MATLAB平台中对二维简支梁、三维L型异型梁、多应力工况悬臂梁、含孔洞悬臂梁和轮毂装配结构等多个典型算例开展拓扑优化，并与相同条件下SIMP法的基础代码拓扑优化结果进行了对比，验证了该拓扑优化集成方法的有效性。　　（3）实现了基于BESO法和等效静态载荷法的碰撞拓扑优化集成方法，并对冲击载荷下固支梁和悬臂梁算例进行了动态拓扑优化，将该优化结果与已有BESO法和 ESLO 法的冲击拓扑优化结果做了比较，两者的拓扑构型基本一致。采用该碰撞拓扑优化集成方法，开展了冲击载荷下AL/CFRP汽车吸能盒刚度最大化的动态拓扑优化。　　（4）实现了基于混合元胞自动机法的耐撞性拓扑优化集成方法，通过与典型算例拓扑优化结果的对比，表明了使用集成方法后耐撞性拓扑优化法在ABAQUS-MATLAB平台运行的可行性。分析了不同更新规则和自动机邻域形状对拓扑优化结果的影响，以提高耐撞性为目标对汽车吸能盒进行了碰撞拓扑优化研究。
作者：	靳立涵
专业：	车辆工程
导师：	朱孙科
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023