文档介绍：河海大学
硕士学位论文
拓扑优化理论及其在拱坝优化设计中的应用
姓名:穆春燕
申请学位级别:硕士
专业:水工结构工程
指导教师:苏超
20060501
摘要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,也是结构优化中的重点和难点。与尺寸优化和形状优化相比,结构拓扑优化需要确定的参数更多,取得的经济效益更大,对工程设计人员更具吸引力。随着拓扑优化理论的进一步发展和完善,其应用于工程实践的条件也日趋成熟。本文深入研究了拓扑优化的基本理论和方法,并就其在拱坝体形优化设计中的应用,做了一些探讨和尝试,具体的研究工作⒀芯亢捅冉狭司然椒ā⒈涿芏确椒ㄒ约氨浜穸确椒ǖ韧仄擞呕椒ǖ氖⒗媒峁雇仄擞呕椒ㄖ薪衔3S玫木然椒ǎ教至怂そ峁雇仄擞呕设计的具体方法,并以微结构单胞为基础,解释了均匀化方法的数学模型和有限元求解的数值迭代算式。⒏莨鞍犹氐悖蕴寤钚∥D勘辏怨鞍拥暮侠砜占浞植夹问浇辛搜芯浚给出了分布荷载作用下的拓扑优化过程。在邢拊7治鋈砑∩希7⒘较为通用的拓扑优化程序,从而在技术角度方面解决了拱坝结构的拓扑优化。⒗猛仄擞呕砺鄯椒ǘ怨鞍拥奶逍斡呕隽顺⑹裕怨鞍佣矫嫠焦圈和三维结构的拓扑优化分别进行了详细分析,得到了较为满意的结果,这表明拓扑优化方法应用于拱坝体形优化设计是可行的。关键词:结构拓扑优化、均匀化方法、拱坝、优化设计、有限单元法、如下:学模型,并且对各个方法的优缺点进行了分析和讨论。
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堡查壅:壁垒垂:岁月砖日。孪跞学位论文独创性声明:本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实,本人负全部责任。论文作者┟:学位论文使用授权说明年河海大学、、中国学术期刊馀贪电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文夕卜,允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布ǹ授权河海大学研究生院办理。论文作者┟.ⅲ菏中辞妆是┟
第一章绪论§研究背景及意义结构优化的目的在于寻求一种既安全又经济的结构模式。按照结构类型、设计变量类型以及求解问题的难易程度,结构优化分为三个层次阳:尺寸优化、形状优化和拓扑优化。对一个产品的结构设计而言,这三个层次的优化可以分别起到重要的作用。拓扑优化以结构拓扑变量为分析变量,使得结构在给定所受外力及约束的情况下,寻求最佳载荷传递形式的结构布置,它主要是在产品设计的概念层次阶段发挥极其重要的作用;形状优化则是以形状变量为基准,主要在最原始的设计阶段发挥作用:最后再由尺寸优化进入到产品的详细设计阶段。拓扑优化主要是为设计者提供最佳的拓扑形式。目前各种类型的结构优化,尤其是尺寸、形状优化的理论研究已经很完善,一些经典的优化算法已融入到大型通用有限元分析软件中,如.、龋⑶夜惴河τ糜诠こ淌导手小=峁雇仄擞呕直怀莆9阋形状优化和轮廓优化,是优化领域中一种新的理念,是结构形状优化的进一步发展,是布局优化的一部分。近年来,结构拓扑优化设计正在成为结构优化研究领域的热点。一些研究领域,如汽车行业以及飞机制造领域,已经开始应用拓扑优化理论进行整体的布局优化。这股热潮在国内的相关领域兴盛起来,现在我国也有不少学者在进行这方面的探讨和研究,提出了一些建设性的理论和方法。从上个世纪年代开始,有关拓扑优化理论方法的问题就已经开始在国内一些主流杂志以及刊物上进行了探讨和研究,拓扑优化理论的发展方向逐步从理论走向实践。拓扑优化日益成为结构优化的一个重要分支。拓扑优化是目前各类优化的热门讨论对象。但是当前的工作也仅仅局限于结构拓扑优化的理论研究阶段。结构拓扑优化可以在工程设计的初始阶段,为设计者提供一个概念性的设计方案,能够使结构获取最优的方案设计。与以前的截面优化和形状尺寸优化相比,能够节约时间,能够取得更加有效的经济效益,因此也就更能被设计人员和工程人员所接受。但是拓扑优化相对形状优化和尺寸优化而言,是结构优化领域中更为复杂、更富挑战性的课题。结构拓扑优化主要是在满足己知载荷工况和约束的情况下,改变结构的拓扑以求最优。它主要研究结构构件的连接方式、结构内部材料的分布特点,即有无孔洞、孑吹氖俊⒓捌浞植嘉恢玫奶氐愕龋G蠼峁乖诼阆关平衡、应力、约束等条件下,使得结构的某种性态指标达到最优。对于离散体主要探讨构件的连接方式和数量,对连续体则是分析结构外边界以及工程材料的最优分布。随着科学技术的进一步发展,拓扑优化应用于实践中的需