频率约束的框架结构拓扑优化方法研究及软件开发

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框架结构具有传力路径明显、结构布局灵活等优点,是大多数结构的主要承载结构,特别在航空、航天等对重量敏感的领域,其重要性尤为显著。随着结构设计对成本、噪音和精度的要求越来越高,结构的动力特性优化越来越成为人们关注的热点之一。目前,考虑动力约束的拓扑优化研究主要集中在连续体结构,以框架结构为研究对象的较少。为能够得到低成本、低噪音、高精度的框架设计,非常有必要对框架的动力特性和拓扑优化方法进行研究,开发考虑动力约束的框架拓扑优化软件,研究内容具有重要的理论意义和工程价值。  基于ICM(Independent,Continuous and Mapping)方法,对频率约束的框架结构拓扑优化的方法和程序进行研究,主要研究内容如下:  (1)对框架结构的固有频率进行性态研究,得到了框架结构频率与拓扑变量近似成正比的结论,为框架结构频率约束的显式化奠定了基础。  (2)基于ICM方法,采用幂函数的过滤函数,建立了基频和多频约束的框架结构拓扑优化模型,采用MATLAB线性规划求解器进行迭代求解,在迭代过程中采用运动极限控制步长,以保证优化精度,防止迭代震荡现象,基于自适应法搜索最佳阈值,经反演得到最优拓扑。  (3)通过数值算例研究了不同过滤函数对拓扑优化结果的影响,分析了拓扑变量的分布特点,比较了最优拓扑构型反演前后频率值的差异,得到了效果较好的过滤函数。  (4)研究了拓扑优化中常见的问题,采用过滤法解决了框架结构的棋盘格现象,采用修正过滤函数避免了局部模态现象,通过施加动态约束来防止模态交换现象。  (5)采用PCL(Patran Command Language)语言,以MSC.Patran软件为开发平台,以MSC.Nastran软件为结构模态分析求解器,采用MATLAB的性规划求解器,完成频率约束的框架结构拓扑优化程序的二次开发。数值算例表明程序具有较高的可靠性、稳定性,具有较高的求解效率。
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