基于CAD-CAE快速響應的機械結構GBESO法拓撲優(yōu)化及模型重構研究.pdf

1、機械結構設計過程主要包括概念設計、基本設計、詳細設計三個階段。每個階段都存在著“設計-優(yōu)化-再設計”的循環(huán),計算機輔助設計(CAD,Computer Aided Design)和計算機輔助工程(CAE,Computer Aided Engineering)技術的不斷發(fā)展,使機械結構設計的效率和質量有了較大提高。然而,隨著產(chǎn)品的市場競爭日益加劇,機械產(chǎn)品設計要求不斷提高,高效率、高精度、低成本的設計成為了設計者追求的目標。因此,機械產(chǎn)品設

2、計的關鍵是要在短周期內實現(xiàn)低成本高質量的結構設計。
　　本文在研究現(xiàn)有機械結構設計方法的基礎上,研究了基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)的CAD有限元模型到 CAE模型的轉換方法,建立了以參數(shù)化設計理論為基礎,共享數(shù)據(jù)庫為支承的雙向相關模型轉換機制,推導了雙向漸進結構優(yōu)化(BESO,The Bi-direcfional Evolutionary Structural Optimization)法進行機械結構拓撲優(yōu)化的數(shù)學模型,提出了基于精英保留策略的遺

3、傳雙向漸進結構優(yōu)化(GBESO,Genetic Bi-direcfional Evolutionary Structural Optimization)法尋優(yōu)策略,建立了基于特征和約束的優(yōu)化結果模型重構方法,為實現(xiàn)高效率、高精度、低成本的機械結構設計提供了理論指導和方法依據(jù)。具體研究了以下內容:
　　(1)在分析機械結構設計流程的基礎上,研究了參數(shù)化設計方法,確定了基于特征的參數(shù)化CAD模型建立原則;探討了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法,建立

4、了CAD模型及其相關數(shù)據(jù)的共享機制;通過分析CAD模型到CAE模型的轉換機理,提出了一種有限元網(wǎng)格模型轉換方法及其模型轉換雙向相關機制,實現(xiàn)了結構設計過程中快速、準確的CAD/CAE響應,為后續(xù)的優(yōu)化設計奠定了基礎。
　　(2)分析了漸進結構拓撲優(yōu)化方法的優(yōu)化理念,推導了BESO法進行機械結構拓撲優(yōu)化輕量化設計、應力優(yōu)化設計、剛度最大化設計的數(shù)學模型,針對BESO法受其優(yōu)化準則(Optimality Criteria,OC)的影響

5、優(yōu)化速度較慢,且優(yōu)化結果不一定是原結構的真正最優(yōu)解的問題,引入遺傳算法(GA,Genetic Algorithm)的精英保留策略,提出了遺傳雙向漸進結構優(yōu)化(GBESO)法尋優(yōu)方式及其關鍵問題的解決方法,通過與現(xiàn)有拓撲優(yōu)化方法尋優(yōu)結果進行比較,驗證了該尋優(yōu)算法的穩(wěn)定性和高效性。
　　(3)分析了基于有限元法的拓撲優(yōu)化普遍存在的棋盤格現(xiàn)象和鋸齒狀邊界等數(shù)值問題,提出了基于特征和約束的拓撲優(yōu)化結果幾何模型的自動重構方法。通過提取工程數(shù)

6、據(jù)庫中拓撲優(yōu)化結果數(shù)據(jù),以材料去除區(qū)域的點云數(shù)據(jù)為基礎,進行面向設計制造的數(shù)值處理;通過特征提取和約束識別技術進行特征擬合,構建材料去除區(qū)域的CAD模型,并與原模型進行布爾減操作,自動重構CAD模型。以彈槽隔板為例驗證了該方法的可行性,解決了拓撲優(yōu)化結果CAD模型手工繪制數(shù)據(jù)量大、時間長且精度無法保證的問題,為機械結構快速優(yōu)化設計提供了方法依據(jù)。
　　(4)利用所研究的基于CAD/CAE快速響應的結構拓撲優(yōu)化理論和方法,對彈鼓結構