機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告格式

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告學(xué)生姓名： 趙世寬學(xué) 號(hào)： 41070115班 級(jí)： 410701專 業(yè)：機(jī)械工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師： 一.研究的背景和意義1.研究背景空間可展結(jié)構(gòu)是近幾年來隨著航天科技的發(fā)展而誕生的一種新型結(jié)構(gòu)物，以高比強(qiáng)度、高幾何穩(wěn)定性、超低熱膨脹系數(shù)的宇宙材料為構(gòu)建的主要材料，在地面上處于收攏狀態(tài)，固定于運(yùn)載工具的有效載荷倉內(nèi)，當(dāng)它被發(fā)射入軌后，根據(jù)地面的控制指令逐步完成展開動(dòng)作，然后鎖定并保存為正常工作狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)極大的提高了航天器的運(yùn)載能力，同時(shí)也使人類對(duì)太空的探索有了進(jìn)一步的發(fā)展。重量盡可能輕、收攏體積盡可能小始終是星載天線設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)，天線重量和收攏

2、體積同樣是影響天線采用什么結(jié)構(gòu)形式的兩個(gè)主要參數(shù)。為適應(yīng)各種不同衛(wèi)星的需求，當(dāng)前世界上已經(jīng)或正在研究各種各樣的星載天線，其分類方法也因此而各不相同。根據(jù)天線反射面結(jié)構(gòu)形式的不同，可將星載可展開天線大致分為三種基本類型：板狀反射面天線、網(wǎng)狀反射面天線、及薄膜型反射面天線及回轉(zhuǎn)構(gòu)造型天線。分別介紹如下：1.1板狀反射面可展開天線板狀反射面可展開天線主要是由大量剛性金屬板或碳纖維增強(qiáng)塑料拼合而成。由于實(shí)體反射面板可通過精加工提高反射曲面精度，所以完全能夠滿足天線高精度的要求。板狀反射面可展開天線可分為整體型和花瓣型兩種。1.2網(wǎng)狀反射面可展開天線這種天線反射面為索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)展開機(jī)構(gòu)的不同，可分為以

3、下幾種：纏繞肋型、徑向肋型、環(huán)-柱型、構(gòu)架型、周邊桁架式。1.3薄膜型反射面天線薄膜型反射面天線主要是指充氣式可展開天線，首先將能夠反射電波的涂料涂在薄膜上，制成充氣式結(jié)構(gòu)，發(fā)射入軌后，經(jīng)氣體膨脹成型，然后再利用紫外線的照射使反射膜硬化成型。1.4回轉(zhuǎn)構(gòu)造型天線回轉(zhuǎn)構(gòu)造型天線是將設(shè)計(jì)好的質(zhì)量群或柔軟薄膜于發(fā)射階段收縮的一起，入軌后，質(zhì)量系統(tǒng)繞某定軸回轉(zhuǎn)，利用旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力及宇宙中固有的光的壓力使之達(dá)到預(yù)定位置。 整體型花瓣型纏繞肋徑向肋環(huán)-柱構(gòu)架式周邊桁架式充氣式回轉(zhuǎn)構(gòu)造式可靠性較好較差好好較好差好較好好反射面精度較好最好較差好好較好好較差較好收藏體積比差最差最好差好好好好好重量重重較輕較

4、輕輕較輕輕最輕輕可達(dá)直徑/m3.51060151001006150大大造價(jià)低高最低低較高較高高低低目前狀態(tài)使用樣機(jī)使用使用樣機(jī)使用方案樣機(jī)方案各種天線展開機(jī)構(gòu)特性對(duì)比2.課題介紹本課題來源于中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心與吉林大學(xué)合作的預(yù)研項(xiàng)目“圓錐掃描輻射平臺(tái)及天線展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)” ，課題的主要工作是優(yōu)化設(shè)計(jì)天線旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以及天線展開支架。前期已經(jīng)完成了裝置的模態(tài)分析，熱分析，動(dòng)力分析，反射面在軌熱穩(wěn)定分析，精度分析（重力影響產(chǎn)生的變形，零件制造誤差），隨機(jī)振動(dòng)分析等；完成了地面樣機(jī)的制作，對(duì)展開機(jī)構(gòu)的功能及相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。本文的工作在于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步研究上天結(jié)構(gòu)。3.研究意義

5、由于該天線的口徑為1.6m，而且要求天線剛性好，形面精度要求高，本課題采用了天線面為整體型的方式。為了盡量提高展開機(jī)構(gòu)的收納率，本課題采用折疊桿形式。使得整個(gè)展開機(jī)構(gòu)折疊后的高度為1m，展開后高度為2m。對(duì)于口徑為1.5m左右的整體型方式的天線，折疊展開機(jī)構(gòu)能有如此高的收納率在國內(nèi)外都很少見。因此，本課題的研究對(duì)于口徑為13m的整體型天線的展開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究提供了較有價(jià)值的參考意義。對(duì)于各種受力構(gòu)件若采用連續(xù)體結(jié)構(gòu)則結(jié)構(gòu)內(nèi)部某些材料受力很小，必然會(huì)造成材料的浪費(fèi)，而且重量也大；工程上大多采用桁架結(jié)構(gòu)，其受力均勻，而且當(dāng)腹桿的節(jié)點(diǎn)位置布局達(dá)到受力合理時(shí)，能夠使結(jié)構(gòu)重量最輕，最大限度的提高了材料

6、的使用率。作為支撐天線的桿系結(jié)構(gòu)越來越廣泛的應(yīng)用到各類天線展開機(jī)構(gòu)中。桿系結(jié)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)衛(wèi)星整體構(gòu)架性能是至關(guān)重要的，較優(yōu)的構(gòu)型可以充分發(fā)揮材料性能，以同樣的結(jié)構(gòu)重量達(dá)到較高的性能指標(biāo)。對(duì)桿系結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行優(yōu)化能夠獲得重量最小，性能更優(yōu)的設(shè)計(jì)。如何提高材料的使用率、最大限度節(jié)省材料對(duì)于航空、航天機(jī)構(gòu)有著重大的意義。本文終點(diǎn)在于對(duì)星載天線展開機(jī)構(gòu)上采用的桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，以提高材料的利用率，減輕結(jié)構(gòu)重量。二.國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一種基于計(jì)算機(jī)的快速自動(dòng)設(shè)計(jì)過程，可以在滿足規(guī)范等約束條件下得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。它的實(shí)際應(yīng)用相當(dāng)廣泛，涉及到建筑設(shè)計(jì)、航空航天、交通運(yùn)輸、國防等重要領(lǐng)

7、域，因此受到政府部門、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)部門的高度重視，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化級(jí)別可分為截面優(yōu)化，形狀優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化和材料布局優(yōu)化；從問題的復(fù)雜程度看已經(jīng)從簡單的桁架設(shè)計(jì)發(fā)展到梁、板、殼等多種復(fù)雜元素的結(jié)構(gòu)涉及；從設(shè)計(jì)變量可分為連續(xù)性及離散性；約束則由最初的應(yīng)力、位移約束拓展到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和動(dòng)力特性等。隨著對(duì)工程設(shè)計(jì)概念例如可靠性、模糊等不確定性的因素的認(rèn)識(shí)，相應(yīng)的優(yōu)化模型如基于可靠性概念的優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化等也已體術(shù)。在給定結(jié)構(gòu)的類型、材料、布局拓?fù)浜屯庑螏缀蔚那闆r下，優(yōu)化各個(gè)組成構(gòu)件的截面尺寸，使結(jié)構(gòu)最輕或最經(jīng)濟(jì)，通常稱為尺寸優(yōu)化，它是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的最低層次；如果讓結(jié)構(gòu)的幾何形狀也可以變化，例如，把

8、桁架和剛架的節(jié)點(diǎn)位置或連續(xù)體邊界形狀的幾何參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化又進(jìn)入了一個(gè)較高的層次、即所謂的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化；進(jìn)而再允許對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)關(guān)系或連續(xù)體結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行優(yōu)化，則優(yōu)化達(dá)到更高的層次，即結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化；如果再考慮不同材料的布局從而形成結(jié)構(gòu)的鋪層優(yōu)化。顯然，隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化層次的提高，其難度也越來越大。1.各種拓?fù)鋬?yōu)化方法簡介結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化可分為框架結(jié)構(gòu)和連續(xù)體兩類。例如，基結(jié)構(gòu)法就是針對(duì)框架結(jié)構(gòu)的方法；均勻化方法，密度函數(shù)法等是針對(duì)于連續(xù)體結(jié)構(gòu)的方法。不過他們之間的差別也并不是絕對(duì)的，有的連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果還會(huì)被近似成框架結(jié)構(gòu)。下面簡要介紹以下幾種拓?fù)鋬?yōu)化方法。1.1基結(jié)構(gòu)化Dom提出將節(jié)

9、點(diǎn)、支撐點(diǎn)和載荷作用點(diǎn)用桿件連接行成基結(jié)構(gòu)。在此基結(jié)構(gòu)下，建立截面優(yōu)化模型，截面的下限定義為零，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法求解，對(duì)于截面優(yōu)化為零的桿件進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，決定是否刪除。結(jié)構(gòu)所允許的所有拓?fù)湫问蕉伎梢杂苫Y(jié)構(gòu)刪除某個(gè)或某些單元而成。該方法把拓?fù)鋬?yōu)化降到尺寸優(yōu)化級(jí)別，使拓?fù)鋬?yōu)化簡單易行。1.2均有化方法均勻化方法是由Bendsoe和Kikuchi于1998年提出，他們首次將復(fù)合材料的多孔介質(zhì)概念引入拓?fù)鋬?yōu)化中，通過在結(jié)構(gòu)材料中引入帶方形空洞的微結(jié)構(gòu)模型，將復(fù)雜的拓?fù)湓O(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡單的尺寸優(yōu)化問題。然后采用均勻化方法求解不同微結(jié)構(gòu)構(gòu)成下的結(jié)構(gòu)宏觀材料特性，從而得到材料宏觀特性與微結(jié)構(gòu)尺寸間的函數(shù)

10、關(guān)系，而通過優(yōu)化微結(jié)構(gòu)尺寸的組合變化就可以得到結(jié)構(gòu)宏觀拓?fù)浞植?。Bendsoe和Sigmud指出，在很多情況下人工材料差值模型能夠用微結(jié)構(gòu)來模擬，只要滿足簡單的條件，就能保證解的存在。Hassani和Hinton總結(jié)了均勻化方法的理論及其推導(dǎo)過程，給出了不同的材料模型均勻化方法的理論及其結(jié)果，并構(gòu)造了均勻化方法的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型。Gea給出了一種材料微結(jié)構(gòu)描述拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型，其中用單胞尺寸、相位參數(shù)和強(qiáng)度系數(shù)表征彈性模量和泊松比，并且得出很好的結(jié)果。1.3密度函數(shù)近似法 密度函數(shù)近似法又稱密度懲罰法，密度懲罰法是連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中另一種有效的物理描述方法，它是在均勻化方法的基礎(chǔ)上提出的。

11、其基本思想是不引入微結(jié)構(gòu)，而是人為地給每個(gè)單元賦一個(gè)相對(duì)密度變量x,x在01中間取值，它吸取均勻化方法中的經(jīng)驗(yàn)和成果，根據(jù)單元密度值，直接假定設(shè)計(jì)材料中每個(gè)單元的宏觀彈性模量值與密度的非線性關(guān)系。這種方法最早由Bendose和Mlejnek提出，由于其模型簡單，易于理解，成為月前連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的主流方法。張東旭給出了兩種啟發(fā)式算法用于連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，并且取得了很好的效果。一是變密度法，以單元的密度為設(shè)計(jì)變量，使結(jié)構(gòu)的柔順性極小化。二是變厚度模型，使用于膜板結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，以厚度為設(shè)計(jì)變量，考慮應(yīng)力約束，以重量最小為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題。另外，還給出連續(xù)體形狀優(yōu)化的方法，該方法是通過控

12、制邊界上結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)改變結(jié)構(gòu)的形狀，設(shè)計(jì)變量為工程設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)考慮重量最輕和最大應(yīng)力水平極小化。1.4進(jìn)化算法該方法的特點(diǎn)是利用梯度方向?qū)ふ易顑?yōu)解，逐漸的刪除無效單元。單元的有效性是以單元應(yīng)力及靈敏度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的。該方法簡單易行，而且計(jì)算量相對(duì)較小。由于應(yīng)用該方法時(shí)需要敏度計(jì)算，因此對(duì)于不同目標(biāo)的問題，需要不同的公式推到。另外Querin基于該方法還提出了雙向進(jìn)化算法，該方法加入了有效單元恢復(fù)功能。1.5水平集函數(shù)法水平集方法(Level Set Method)主要是從界面?zhèn)鞑サ妊芯款I(lǐng)域中發(fā)展起來的。該方法從捕捉多相流體的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)、圖像處理到控制，再到結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用十分

13、廣泛。應(yīng)用在連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中，其基本思想是通過目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造的法向速度驅(qū)動(dòng)材料邊界的運(yùn)動(dòng)，來改變結(jié)構(gòu)邊界的拓?fù)浜蛶缀涡螤?，具有使最?yōu)拓?fù)溥吔绻饣?、沒有中間密度的優(yōu)點(diǎn)。該方法于1988年由Sethian和Osherl8提出，2000年Sethian和Wiegmann首次將其引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域，之后引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和極大的研究熱情，目前該項(xiàng)研究工作還處于初級(jí)發(fā)展階段。除了上述方法外，還有作者將拓?fù)鋬?yōu)化問題按照整數(shù)規(guī)劃問題求解。Beckers成功的利用對(duì)偶方法解決了大尺度柔度最小化的問題。還有很多人利用遺傳算法等隨機(jī)類算法解決該問題。但龐大的計(jì)算量仍是用此類算法所面臨的最大問題。2.桁

14、架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化現(xiàn)狀基結(jié)構(gòu)方法是用于研究桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的一種基本方法，這也是我們最容易理解和想到的方法，由于尺寸和形狀優(yōu)化具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和完善的計(jì)算方法，人們先是嘗試把這些方法直接應(yīng)用到拓?fù)鋬?yōu)化。例如，對(duì)一個(gè)給定初始結(jié)構(gòu)的桿系結(jié)構(gòu)，先進(jìn)行截面尺寸優(yōu)化，通過刪除截面過小或?yàn)榱愕臈U件來實(shí)踐拓?fù)鋬?yōu)化。為研究未給定初始結(jié)構(gòu)的拓?fù)洌藗冊(cè)谠O(shè)計(jì)空間內(nèi)規(guī)則地布置足夠多的結(jié)點(diǎn)，再將每一結(jié)點(diǎn)與所有的其它結(jié)點(diǎn)用桿件連接起來行程基結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行上述截面尺寸優(yōu)化。在尺寸優(yōu)化過程中，刪除截面過小的單元，實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。人們很快發(fā)現(xiàn)其中存在的許多問題。主要反映在如下幾個(gè)方面：(1)當(dāng)一個(gè)桿件截面趨近于零時(shí)，計(jì)算應(yīng)力并不

15、趨近于零，存在所謂極限應(yīng)力，表現(xiàn)為優(yōu)化空間的奇異性和數(shù)學(xué)優(yōu)化過程的強(qiáng)非線性。這些使得尋找全局最優(yōu)解變得非常困難。程耿東等對(duì)此做了深入地研究，他們將常用的應(yīng)力約束改寫成內(nèi)力約束形式，并做適當(dāng)放松，使退化的可行子空間被擴(kuò)充，使問題得到很大程度的解決，取得重要進(jìn)展。(2)變量會(huì)隨著結(jié)點(diǎn)的增加而劇烈增加，使數(shù)學(xué)規(guī)劃方法失去了效率，從而僅能求解及其簡單的情況。為克服這些問題，人們也進(jìn)行了一些工作，如采用準(zhǔn)則法。為避免變量數(shù)目增加過快以及出現(xiàn)機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)代數(shù)拓?fù)渲械耐{(diào)群理論，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)浞治?，目前?yīng)用效果還不理想。(3)目前大多數(shù)算法中，由于難以建立桿件的恢復(fù)策略，桿件一旦刪除則很難恢復(fù)，這樣就限制

16、了尋優(yōu)路徑，以至不能找到最優(yōu)解。(4)由于結(jié)點(diǎn)和桿件數(shù)量有限并事先給定，所以目前該方法僅在一個(gè)離散子空間內(nèi)尋找最優(yōu)解，且有可能找不到最優(yōu)解。由此我們可以看出，采用基結(jié)構(gòu)法對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)因其初始解空間的確定具有主觀性，故只能在既定的解空間尋找最優(yōu)，因此得到的最優(yōu)解實(shí)質(zhì)上仍然有一定的局限性。因此，最好是能用連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化，不僅可以確定桿件的有無，還能改變節(jié)點(diǎn)的位置，從而找到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形式。令人可喜的是，連續(xù)體拓?fù)浠袃牲c(diǎn)值得注意：(1)連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化往往收斂到骨架形式的解，接近熟知的桁架或框架結(jié)構(gòu)；(2)雖然某些連續(xù)體結(jié)構(gòu)（如機(jī)器結(jié)構(gòu)與車架地盤結(jié)構(gòu)、航空航天的某些結(jié)構(gòu)）的拓?fù)渥顑?yōu)解以連

17、續(xù)體為主，但是開挖了一些孔洞，這正是桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化得不到的解答。而且時(shí)間證明大多數(shù)三維結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)湫问蕉碱愃朴阼旒芙Y(jié)構(gòu)，因此如何將三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)同空間桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化聯(lián)系起來是個(gè)值得探討的問題。3.桁架結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化現(xiàn)狀析架結(jié)構(gòu)中各桿件的受力情況不同，應(yīng)力也不完全一樣，合理設(shè)計(jì)桿件截面尺寸，使其在滿足多種約束條件的前提下，各桿件都能最大限度地承受載荷，就可以有效提高各桿件結(jié)構(gòu)的承載能力，達(dá)到合理減小桿件截面面積以減小結(jié)構(gòu)重量的目的。關(guān)于析架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，截止目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很多解決方法。其中滿應(yīng)力方法被廣泛采用，通過設(shè)定結(jié)構(gòu)在滿足約束條件的同時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大來獲得最佳解。同時(shí)，很

18、多專家學(xué)者也在努力尋求更精確、更有效的求解方法，并取得了很大的進(jìn)步。郭鵬飛等人以滿應(yīng)力設(shè)計(jì)思路為基礎(chǔ)，提出了求解離散變量結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的擬滿應(yīng)力方法。馬光文等人用遺傳算法，從多個(gè)起始點(diǎn)開始尋優(yōu)，采用交迭和變異算子避免了過早收斂到局部最優(yōu)解，獲得全局解。柴山等人建立了包含截面和拓?fù)鋬勺兞康碾x散變量結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型，考慮了截面變量和拓?fù)渥兞恐g的藕合關(guān)系，體現(xiàn)了組合優(yōu)化的本質(zhì)。楊冬梅等人用基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的優(yōu)化程序?qū)ξ黾艿囊唤M結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化問題進(jìn)行了桿件全應(yīng)力條件下的優(yōu)化計(jì)算。劉亮等人依據(jù)有限元原理，建立了桿單元基本位移的計(jì)算方法，將優(yōu)化計(jì)算的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量與性態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系以顯示形式表達(dá)出來，提出了

19、析架結(jié)構(gòu)重分析的一種新方法，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。隋允康通過函數(shù)變換，找到了滿應(yīng)力的映射解，并對(duì)14種公式的收斂情況進(jìn)行了驗(yàn)算。對(duì)于析架結(jié)構(gòu)離散變量的優(yōu)化問題，通過無量綱化解決了不同長度的桿件難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變量連接的問題。他將改進(jìn)的梯度投影單純形法應(yīng)用到析架結(jié)構(gòu)優(yōu)化(27，通過松弛方法解決了原GPS方法種難以刪除相關(guān)約束的問題，此外，他首次將曲線尋優(yōu)的數(shù)值方法用于析架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程，基于對(duì)偶規(guī)劃，找到了析架結(jié)構(gòu)曲線尋優(yōu)算法，取得了快而穩(wěn)的滿意結(jié)果。三.軟件介紹本設(shè)計(jì)主要使用HyperWorks 10軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并使用ANSYS進(jìn)行一些后續(xù)工作的處理 HyperWorks 10是一個(gè)創(chuàng)新、開放的企

20、業(yè)級(jí)CAE平臺(tái)，它集成設(shè)計(jì)與分析所需各種工具，具有無比的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。 HyperWorks包括以下模塊： Altair HyperMesh 高性能、開放式有限單元前后處理器，讓您在一個(gè)高度交互和可視化的環(huán)境下驗(yàn)證及分析多種設(shè)計(jì)情況。 Altair MotionView 通用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真及工程數(shù)據(jù)前后處理器，它在一個(gè)直觀的用戶界面中結(jié)合了交互式三維動(dòng)畫和強(qiáng)大無比的曲線圖繪制功能。 Altair HyperGraph 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和圖表繪制工具，具有多種流行的工程文件格式接口、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和圖表繪制功能、以及先進(jìn)的定制能力和高質(zhì)量的報(bào)告生成器。 Alta

21、ir HyperForm 集成HyperMesh強(qiáng)大的功能和金屬成型單步求解器，是一個(gè)使用逆向逼近方法的金屬板材成型仿真有限元軟件。 Altair HyperOpt 使用各種分析軟件進(jìn)行參數(shù)研究和模型調(diào)整的非線性優(yōu)化工具。 Altair OptiStruct 世界領(lǐng)先的基于有限元的優(yōu)化工具，使用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。 Altair OptiStruct/FEA 基本線性靜態(tài)、特征值分析模塊。拓?fù)鋬?yōu)化1994年Atair提出這個(gè)技術(shù)，并獲得大獎(jiǎng)，它可以在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找出最佳的材料分布。設(shè)計(jì)空間的定義可以用殼體或?qū)嶓w或兩者同時(shí)使用，并定義一致的材料特性。OptiStruct先進(jìn)的逼近和優(yōu)化

22、方法幫助找到優(yōu)化的載荷路徑。OptiStruct包含的實(shí)用程序OSSmooth可以生成IGES文件，這樣拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果可以反饋到CAD系統(tǒng)。 外形優(yōu)化這個(gè)新穎的技術(shù)可以在薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沖壓筋。優(yōu)化問題的建立需要定義設(shè)計(jì)區(qū)域、最大槽深及拉伸角度。OptiStruct自動(dòng)提供設(shè)計(jì)變量的建立和優(yōu)化控制。外形優(yōu)化的結(jié)果也可以使用OSSmooth生成的幾何模型反饋到CAD系統(tǒng)。 形狀優(yōu)化OptiStruct也能夠求解包括邊界移動(dòng)在內(nèi)的普通形狀優(yōu)化問題，以及使用形狀擾動(dòng)向量求解。擾動(dòng)向量由Altair HyperMesh 軟件里的AutoDV產(chǎn)生。形狀優(yōu)化的結(jié)果同樣也可以由OSSmooth生成的幾何模型反饋

23、到CAD系統(tǒng)。 有限元分析 OptiStruct是一個(gè)非常高效、準(zhǔn)確、出色的有限元求解器。它使用標(biāo)準(zhǔn)的有限單元類型進(jìn)行線性靜態(tài)及模態(tài)分析，并提供多處理器計(jì)算機(jī)上的并行解決方案。 Altair HyperGraph Altair HyperGraph 是一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和圖表工具，集成很多流行的文件接口。HyperGraph易于使用的圖形用戶界面讓您直接應(yīng)用它所有強(qiáng)大的功能。它高度完善、先進(jìn)的數(shù)學(xué)引擎能夠處理最復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式。HyperGraph將這些功能與高品質(zhì)的演示文檔輸出和可定制能力結(jié)合起來，建立一個(gè)各種機(jī)構(gòu)都適用的、完善的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。四.研究思路本設(shè)計(jì)的研究方法采用均勻法以及密度法

24、，因而得到的最優(yōu)解實(shí)質(zhì)上仍然有一定的局限性?；贖yperWorks 的有限元模型建立流程如圖所示五.主要研究目標(biāo)和內(nèi)容1.研究目標(biāo)：研究目標(biāo)：材料最省、重量最輕、盡量提高材料使用率。約束條件：保證結(jié)構(gòu)布局，幾何尺寸，結(jié)構(gòu)正常工作的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定條件、固有頻率（基頻不小于100HZ）等。優(yōu)化參數(shù)：材料，桿件的數(shù)量、桿件節(jié)點(diǎn)位置、桿件截面形狀。2.研究內(nèi)容：(1)定義結(jié)構(gòu)允許占有最大物理區(qū)域，建立固定有限元網(wǎng)格，并確定設(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域，給出優(yōu)化用的初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。(2)定義模型響應(yīng)，響應(yīng)可以是應(yīng)力、位移、應(yīng)變能、頻率、體積、頻響位移、頻響加速度等。(3)定義模型的約束和目標(biāo)函數(shù)。(4)對(duì)模型進(jìn)行

25、有限元分析，讀取分析結(jié)果，通過優(yōu)化計(jì)算進(jìn)行單元?jiǎng)h減并反復(fù)迭代，直到獲得理想的拓?fù)錁?gòu)型。(5)將應(yīng)力明顯的地方設(shè)為桿件，從而確定了桿件的數(shù)量、長度和節(jié)點(diǎn)位置。(6)對(duì)桿件的截面進(jìn)行優(yōu)化，完成桁架結(jié)構(gòu)的完整優(yōu)化設(shè)計(jì)。(7)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。六.進(jìn)度安排1、2011.2.6-2011.3.7 搜集論文資料和閱讀文獻(xiàn)資料2、2011.3.8-2011.4.6學(xué)習(xí)他人研究方法，學(xué)習(xí)相關(guān)理論學(xué)習(xí)即將用到的軟件3、2011.4.7-2011.4.31 建立三維模型、運(yùn)用軟件分析。4、2011.5.1-2011.5.15總結(jié)分析結(jié)果，并解決出現(xiàn)的問題。5、2011.5.16-2011 .5.30 整理，撰寫

26、論文。 6、2011.5.31 整理相關(guān)材料、準(zhǔn)備答辯七.主要參考文獻(xiàn)1 w. Prager .A Note on Discredited Michell Structures.Computer Methods in AppliedMechanics and Engineering.1974, 3(3):349-355.2 M. P. Rossow, J. E. Taylor. A Finite Element Method for the Optimal Design of VariableThickness Sheets. AIAA Journal. 1973, 11(11):1566-1

27、569.3 Cheng K. T,Olhoff N. An investigation concerning optimal design of solid elasticplates. International Journal of Solids and Structures.1981, 17(3):305-323.4 Cheng.G,Jiang.Z. Study on topology optimization with stress constraint. EngineeringOptimiaztion.1992, 20(1)129-148.5 H. A. Eschenauer, H.

28、 A. Kobelev, A. Schumacher. Bubble method for topology and shapeoptimization of structures. Structural Optimization. 1994, 8 (2):142-151.6 Bendsoe MP,Kikuchi N. Generating Optimal Topologies in Structural Design Using aHomogenization Method. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering.1998

29、，71(2):197-224.7 Rosenthall E M,ed.Proceedings of the fifth Canadian Mathematical Congress,Univ. ofMontreal, 1961. Toronto:Univ. of Toronto Pr.，1963:23-29.8 B. Hassani, E. Hinton. A review of homogenization and topology optimization I-topologyoptimization using optimality criteria. Computers&Structu

30、res. 1998, 69 (6):707-717.9 H. C. Gea, Topology optimization:A new microstructure based design domain method.Computers and Structures.1996, 61(5):781-788.10劉書田.復(fù)合材料性能測(cè)試與梯度功能材料優(yōu)化設(shè)計(jì):(博士學(xué)位論文).大連:大連理工大學(xué)，1994.11劉書田.復(fù)合材料應(yīng)力分析的均勻化方法.力學(xué)學(xué)報(bào).1997, 5 (29) : 306-313.12劉書田，程耿東.基于均勻化理論的梯度功能材料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.宇航材料工藝.1995, 6:

31、21-27.13張東旭.連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及形狀優(yōu)化若干問題:(博士學(xué)位論文).大連:大連理工大學(xué)，1992.14 Y. M. Xie, G. P. Steven. A simple evolutionary procedure for structure optimization.Computers and Structures.1993 49(6):885-896.15 0. M. Querin, V. Young, G. P. Steven. Computational efficiency and validation ofbidirectional evolutionary stru

32、ctural optimization. Computer Methods in Applied Mechanicsand Engineering.2000 189(2):559-573.16 Rajeev S,Krishnamoorthy C S. Discrete optimization of structures using geneticalgorithms. J. Struct. Eng. 1992, 118 (5):1233-1250.17 Coello C A,Christiansen A D. Multiobjective optimization of trusses us

33、ing geneticalgorithms. Computers and Structures.2000 75(6):647-660.18 Stanley Osher,J.A.Sethian. Fronts Propagating with Curvatue-dependentSpeed:Algorithm Based on Hamilton-Jacobi Formulations. Journal of Computa七TonalPhysics. 1988 79 (1):12-4919隋允康、劉趙森、喬志宏等.幾種工程薄殼結(jié)構(gòu)的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì).北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2001. 12. vol.

34、27. 4. 383-389.20郭鵬飛、韓英壯等.離散變量結(jié)構(gòu)優(yōu)化的擬滿應(yīng)力設(shè)計(jì)方法.工程力學(xué).2000. 1.21馬光文、王黎.遺傳算法在析架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.工程力學(xué).1998. 5.22柴山、石連栓、孫煥純.包含兩類變量的離散變量的析架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì).力學(xué)學(xué)報(bào).vol. 31. 5. 1999. 9. 574-583.23楊冬梅、室津義定.基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的析架結(jié)構(gòu)幾何優(yōu)化.力學(xué)與實(shí)踐.1999. 1.24劉亮、翟宇毅.彬架結(jié)構(gòu)重分析的一種新方法.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào).1998. 5.25隋允康.函數(shù)變化下的滿應(yīng)力設(shè)計(jì)方法.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào).1987. 4. 2.26隋允康、彭克儉.析架結(jié)構(gòu)離

35、散變量優(yōu)化的使用方法和程序?qū)崿F(xiàn).大連工學(xué)院學(xué)報(bào).1986. 3vol. 25. 1.27隋允康、黃秀芬.改進(jìn)的梯度投影單純形法GPS及其在析架優(yōu)化上的應(yīng)用.大連工學(xué)院學(xué)報(bào).1988.3 vo1.27. 1: 13-16.28隋允康、郭銀橋.析架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的曲線尋優(yōu)數(shù)值方法.力學(xué)與實(shí)踐.1995. 4.29 Eschenauer HA, Olhoff N, Topology optimization of continuum structures J，A receive,Applied Mechanics Review, 2001,54:331-390.30 Hughes TJR, The fin

36、ite element method:Linear static and dynamic finiteelementanalysisM，Preentice-Hall, Englewood cliffes, NJ, 1987.31 Youn SK, Park SH, A study on the shape extraction process in the structural topologyoptimization using homogenized material J，Computer&Structures, 1997, 62 (3):527-559.32 Tenek L H, Hag

37、imara I, Optimization of material distribution within isotropic andanisotropic plates using homogenization J，Computer Methods Applied Mechanics andEngineering.1993, 109:155-167.33 Mlejnek HP，some Aspects of the genesis of structuresJ，Structureoptimization, 1992, 5 (12):64-69.34 Yang RJ, Chuang C H,

38、Optimal topology design using linear programming J，Computer&Structure, 1994, 52:265-275.35 Suzhki K. and Kikuchi 1. A homogenization method for shape and topology optimization.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,1991,93:291381.36 Diaz A. R and Bendsoe M. p. Shape optimization of st

39、ructures for multiple loadingconditions using a homogenization method. Structural Optimization,1992,4:17-22.37 Lazarus H. Tenek and Ichiro Hagiwara. Static and vibrational shape and topologyoptimization using homogenization and mathematical programming. Comput. MethodsApp 1. Mech. Engrg. 1993, 109:143-154.38 B.Hassani, E.Hinton. A review of homogenization and topology optimization II-analytical and numerical solution of homogenization equationsJ.Computers&Structures (69)，1998:707一717.39 B.Hassani, E.Hinton. A review of homogenization and topology optimization II