基于制造特征的零件拓扑结构模型及其构建研究
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计随着汽车工业的发展，汽车的车身结构设计已成为重要的研究方向。
在传统的车身设计过程中，常常采用模块化设计和经验设计的方法，导致车身的结构不够优化。
为了提高车身结构的性能和减轻车身的重量，基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计应运而生。
多模型拓扑优化方法是指通过使用多种材料和拓扑结构的设计思想和优化算法，对车身结构进行设计和优化。
这种方法将车身结构的拓扑结构和材料的选择作为设计变量，通过优化算法来求解最优的设计方案。
1. 确定设计变量：设计变量是影响车身结构的重要参数，包括材料种类、材料厚度、结构件的尺寸和形状等。
在进行多模型拓扑优化设计时，需要根据具体的设计要求和目标来确定设计变量。
2. 建立车身结构的有限元模型：有限元模型是进行车身结构分析和优化的基础，通过将车身结构离散成一系列有限元单元来建立模型。
有限元模型需要考虑到车身结构的复杂性和受力情况，以保证分析结果的准确性。
3. 定义优化目标和约束条件：优化目标是指在车身结构设计中需要优化的性能指标，例如重量、刚度、强度等。
约束条件是指在优化过程中需要满足的限制条件，例如材料的可用性、制造成本、可靠性等。
通过定义合适的优化目标和约束条件，可以实现车身结构的有效设计和优化。
4. 选择优化算法进行优化：优化算法是进行多模型拓扑优化的关键，常用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
这些优化算法能够基于已有的有限元模型和定义的优化目标来搜索最优的设计方案。
5. 进行优化计算和分析：根据设计变量、优化目标和约束条件，运用选择的优化算法进行优化计算和分析。
通过多次迭代优化，不断改进车身结构的拓扑结构和材料选择，最终得到最优的设计方案。
通过引入多种材料和拓扑结构的设计思想，可以获得更加轻量化和高性能的车身结构。
通过合理的材料选择和结构优化，可以提高车身的强度和刚度，在保证安全性的同时减轻车身的重量。
多模型拓扑优化方法能够提高设计效率和减少设计成本。
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计
车身结构是汽车的重要组成部分，直接影响到汽车的安全性、刚性和轻量化程度。
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计是一种运用计算机辅助设计方法，结合多模型和拓扑优化技术，对车身结构进行概念设计和优化的方法。
本文将介绍基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计的基本原理和方法，并探讨其在汽车制造业中的应用前景。
车身结构概念设计是汽车设计工程中的重要环节。
在概念设计阶段，设计师需要根据汽车的功能需求和市场定位，确定车身结构的整体布局和关键节点的设计要求。
传统的设计方法主要依靠设计师的经验和感性判断，存在着主观性强、效率低、不可追溯等问题。
而基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计是一种基于数学模型和计算机技术的新型设计方法，可以有效地解决传统方法存在的问题。
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计的基本原理是将车身结构分解为多个子模型，并对每个子模型进行拓扑优化。
通过对子模型进行拓扑优化，可以得到具有最优结构性能的子模型。
然后，将各个子模型进行组合，得到整体的车身结构。
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计具有许多优点。
它能够提高车身结构的性能和轻量化程度。
通过对车身的拓扑形态进行优化，可以得到结构材料分布合理、重量轻、刚性好的车身结构。
它能够提高设计效率和准确性。
通过计算机辅助设计和优化，可以快速获得最优的车身结构。
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计具有较好的可追溯性和可扩展性。
设计过程完全可逆，设计参数可以灵活调节，能够满足不同的设计要求。
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计随着汽车工业的快速发展，车身结构的设计变得越来越重要。
车身结构的设计不仅仅关乎汽车外观的美观度，更关乎汽车的安全性、舒适性和燃油效率。
车身结构的概念设计成为了汽车工程领域的一个热门研究方向。
本文基于多模型拓扑优化方法，对车身结构进行概念设计，并分析了其中的关键技术和方法。
1. 背景介绍车身结构是整个汽车的主要组成部分，它承担着支撑车身重量、保护车内乘客、减轻碰撞冲击和提高车辆稳定性等重要功能。
传统的车身结构设计往往是通过试错方法进行的，效率较低且容易导致设计结果不够优化。
基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计成为了一种新的设计思路。
2. 多模型拓扑优化方法多模型拓扑优化方法是一种将多种优化模型相结合的优化方法，它可以充分发挥各种优化模型的优势，有效地解决复杂问题。
在车身结构设计中，可以将多模型拓扑优化方法应用于不同的设计阶段，如材料选择、结构形状和尺寸优化等。
通过多模型拓扑优化方法，可以找到最优的车身结构设计方案，以满足不同的设计要求。
3. 车身结构概念设计流程（1）需求分析：首先需要对车身结构设计的需求进行分析，包括安全性、舒适性、燃油效率等方面的要求，并进行整体设计目标的确定。
（2）模型建立：在确定设计目标后，需要建立车身结构的初始模型。
可以利用CAD软件建立初始模型，并对整体结构进行初步的优化。
（4）优化求解：通过多模型拓扑优化方法，可以获得最优的车身结构设计方案。
在优化求解过程中，需要综合考虑各种设计要求，如结构强度、刚度、重量和成本等，以达到最佳的设计效果。
（5）验证评估：对优化后的车身结构设计方案进行验证评估。
可以通过实物模型或数值模拟的方式对设计方案进行验证，以确保其满足实际的应用要求。
4. 关键技术和方法（1）有限元分析：有限元分析是车身结构设计中常用的分析方法，可以对车身结构进行复杂的力学分析。
通过有限元分析，可以获得车身结构在不同工况下的受力情况，为优化设计提供数据支持。
基于拓扑优化的车身结构研究
基于拓扑优化的车身结构研究瞿元王洪斌张林波吴沈荣奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖，241009摘要：随着CAE技术的发展，虚拟仿真技术在汽车开发中的作用也愈来愈显著。
而前期工程阶段，如何布置出合理的车身骨架架构，一直是个相对空白的地带，也是整车正向开发过程中绕不过的坎。
尽管研发工程师根据经验，参照现有车型的结构特点，也能进行车身骨架架构的设定，但总是缺乏有效手段直观地反映不同车型结构布置的特点。
本文用拓扑优化的方法，从结构基本特征的角度来审视这一问题，并运用该方法对某SUV车身结构进行研究，获得一些直观性的结论。
关键词：车身,前期工程,拓扑优化1、引言随着对整车研发过程认识的加深，以及对正向开发过程的探索，在车型开发前期，对车身结构做出更合理的规划显得愈来愈重要。
常规的研发思路之一是通过参考已有车型的结构，经过适当的修改，形成新的结构，并用于新车型中。
但是对于原始车型的设计思路、结构布置的原因等缺乏系统的理解，或者理解不深，往往在更改过程中产生新的问题。
为了部分解决上述问题，本文从结构拓扑优化的角度，对某SUV车型车身结构的总体布置进行初步探讨，以期加深对结构布置的理解。
2、研究方法概述合理化的车身结构，是满足整车基本性能的重要保障。
为了能够实现结构的最优布置，文献[1]使用了拓扑优化工具来布置车身结构。
其基本思路是从造型以及车内空间布置出发，建立车身空间的基础网格模型，然后根据一定的工况要求，对基础网格进行拓扑分析，并根据拓扑结果建立梁、板壳模型，并进行多项性能的优化，从而实现车身结构的正向开发。
本文借助于该思想，建立研究对象的结构空间包络，并对该包络进行拓扑分析，然后将仿真结果与原始结构进行比较，寻找车身结构中的关键点，推测初始结构可能的布置思想，从而加深对该研究思路的理解。
其基本过程如下图所示：3.2 工况车身在实际使用过程中承受非常复杂的载荷，这些载荷对车身的影响各不相同，有的影响局部，有的影响整个车身。
基于Inspire在机械产品拓扑优化设计中的应用研究
基于Inspire在机械产品拓扑优化设计中的应用研究摘要：以刹车踏板升级优化设计过程为例，借助于Altair公司的Inspir软件在机械产品拓扑优化设计过程中发挥的作用，结果表明：踏板部件实现了27.3%的减重，强度不超过材料的屈服应力，满足实际的强度需求，提高了机械产品的结构性能，加快迭代速度。
关键词：Inspire、拓扑优化设计、结构性能0引言伴随着我国制造业经济的不断发展，机械产品结构优化设计已成为获得轻量化和高性能结构的最重要手段之一。
拓扑优化设计是性能优越、竞争力强的创新结构构型的有效设计方法，被广泛应用于制造领域，大大为机械产品提能增效、节能环保。
然而其所设计出的复杂不规则构型难以通过传统制造技术加工成型，3D打印技术的日趋成熟，也加速了拓扑优化计算结果的生产制造进程，也推动了拓扑优化方法在机械产品设计中的应用，其需要具有专业建模能力的设计师构建出复杂、新颖的高性能结构模型。
由此可见，拓扑优化设计和先进制造技术的有效结合能够有效突破各自的发展瓶颈，并有望促进现代制造业发生质的飞越：一方面为复杂构件的加工制造提供了可能性，另一方面也彻底解放了构型设计的思维。
1Inspire软件简介Altair Inspire软件使设计工程师、产品设计师和建筑师快速而方便地探索和生成高效的结构基础。
Inspire软件采用先进的优化求解器AltairOptiStruct™，根据给定的设计空间、材料属性以及受力需求生成理想的形状。
该软件简单易学，并与现有的CAD工具协同工作，帮助用户在结构设计的第一时间就降低开发成本、时间、材料消耗和产品重量。
软件优化设计流程如图1所示。
图1 Inspire优化设计流程图2 拓扑优化设计介绍2.1 拓扑优化设计拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。
结构优化可分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。
尺寸优化：在给定结构的类型、材料、布局拓扑和外形几何的情况下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构最轻或最经济，它是优化设计中的最低层次；形状优化：若结构的几何可以变化，如把桁架和刚架的节点位置或连续体边界形状的几何参数作为设计变量，优化又进入了一个较高的层级，即所谓的形状优化；拓扑优化：若再允许对桁架节点联结关系或连续体结构的布局进行优化，则优化达到最高的层级，即结构的拓扑优化。
机械结构拓扑优化设计研究现状及其发展趋势
机械结构拓扑优化设计研究现状及其发展趋势摘要：随着现代科学技术的发展，市场产品竞争也越来越激烈，产品品种的换代速度加快，产品的复杂性在不断增加。
所以产品生产正在以小批量、多品种的生产方式取代过去的单一品种大批量生产方式。
而这种生产方式，肯定会缩短产品的生产周期，产品的成本也会降低，产品提高市场的占有率和竞争力也会提高。
所以在机械结构设计中采用优化设计是满足市场竞争的需要。
关键词：机械结构拓扑；现状；发展趋势引言机械产品应用范围相对较广，为确保机械产品在我国日常生活及企业从生产中得到有效应用，实施优化设计十分必要。
目前我国已经针对机械结构优化设计进行了研究，并取得一定成果，主要表现在船舶行业、焊工航天以及汽车行业等。
机械结构的优化设计可有效提高其产品性能并增加其自身市场竞争力，对其市场发展起重要作用。
1.机械结构优化设计随着科学技术的发展，机械产品更新换代的速度越来越快。
过去，机械产品主要是大批量生产，产品相对单一。
目前采用的是小批量加工方式，以保证产品的多样性。
为了保证生产企业的利润，必须在保证质量的前提下，缩短生产周期，降低生产成本。
优化设计能够达到上述目标，在一定程度上缩短了生产时间，降低了成本，有效地抢占了市场。
机械结构优化设计已广泛应用于造船、运输、航空航天、冶金、纺织、建筑等领域。
机械结构优化设计流程主要包括：（1）针对所优化机械产品尽心目标函数优化设计，可确保机械产品相关技术指标符合优化要求。
（2）设计机械产品优化函数变量，变量设计包括机械产品长度、厚度以及弧度等相关结构参数。
（3）对机械产品优化设计约束条件进行设定，对计算过程中各项变量浮动范围进行限定。
（4）通过以上步骤得出多种优化设计方案，分别对不同方案进行评价，根据机械结构优化设计需求选择最佳方案实施。
2.机械结构拓扑优化设计常用方法（1）均匀化方法常用的连续结构拓扑优化设计方法主要有均匀化方法、变密度方法、水平集方法以及进化结构优化方法等。
机械设计中的结构拓扑优化与多学科协同研究
机械设计中的结构拓扑优化与多学科协同研究近年来，结构拓扑优化与多学科协同研究在机械设计领域引起了广泛关注。
随着科技的发展和人们对机械性能的要求不断提高，如何设计出更加高效、轻量、强度合理的机械结构成为了工程师们面临的重大挑战。
而结构拓扑优化和多学科协同研究则成为了解决这一问题的有效手段。
结构拓扑优化是指通过改变材料在结构中的分布，以优化结构的形状和几何布局。
传统的结构设计方法通常在确定设计要求的基础上，采用经验、试错的方式进行设计，难以满足现代工程领域对结构设计的复杂性和高效性要求。
而结构拓扑优化通过运用计算机辅助设计软件，结合数值分析方法和优化算法，可以对结构的拓扑进行全局调整，从而达到减少结构质量、提高结构强度和刚度等目的。
同时，利用优化算法可以自动搜索最优解，为设计者提供较理想的设计方案。
然而，结构拓扑优化仅仅考虑结构的静态力学性能，无法满足现代多学科综合设计的需求。
在实际应用中，机械结构往往需要考虑多个学科的要求，如刚度、强度、疲劳寿命、空气动力学、热学和噪声等。
为了解决这一问题，多学科协同研究应运而生。
多学科协同研究是指在结构设计中，将不同学科的特征和要求相互结合，实现学科间的信息交流与共享，从而优化整个设计方案。
多学科协同研究可以使设计者在设计初期考虑到各个学科的要求和约束，避免后期的重复设计和调整，提高设计效率和成果质量。
例如，在飞行器设计中，设计者需要同时考虑结构强度、飞行稳定性、气动优化等多个学科因素。
通过多学科协同研究，设计者可以进行全面的系统分析和综合优化，提高设计的整体性能。
为了实现结构拓扑优化与多学科协同研究，研究者们提出了许多方法和技术。
其中一种常用的方法是集成结构拓扑优化和多学科优化算法。
该方法首先通过结构拓扑优化算法得到初步设计方案，然后通过多学科约束条件和优化目标，将结构拓扑进行优化调整，最终得到满足多学科要求的最优设计方案。
另外，还有一些基于元模型的方法，通过构建结构和学科之间的映射模型，对结构进行全局优化。
34拓扑优化技术在发动机零部件设计中的应用--曾金玲
拓扑优化技术在发动机零部件设计中的应用曾金玲第一汽车集团公司拓扑优化技术在发动机零部件设计中的应用Topology Optimization Application in EngineParts Design曾金玲(第一汽车集团公司技术中心)摘要:优化设计可以在很大程度上改善和提高铸造件、锻造件和冲压件的性能，并减轻产品重量。
然而，优化设计特别是拓扑优化很少应用在实际工程中。
一方面是因为工程问题的复杂性和高度非线性，拓扑优化技术目前还无法实现这些系统优化问题，但更重要的是一门新的技术和方法很难取代人们已经习惯多年的思维模式和工作方式。
本文回顾了结构拓扑优化的发展过程，叙述了结构拓扑优化的研究现状，并结合作者在结构拓扑优化方面的研究工作，介绍了拓扑优化技术在发动机部分零部件设计中的应用。
关键词:优化设计拓扑优化发动机Abstract Optimization design can greatly improve various performances of the casts, the forgings and the punches, and it can reduce the weight of these products. However, this technology, especially topology optimization is rarely used in engineering. On the one hand, most of engineering problems are greatly complex and non-linear, topology optimization st ill can’t solve these problems. But it is important that a new technology hardly changes the traditional ways in thinking and working. The development progress and the current researches of structural topological optimization are reviewed in this paper. Some representative examples of application of topology Optimization Technology in engine parts design are recommended according to the author’s researches on structural topological optimization.Key words:o ptimization design，topology optimization，engine1 前言随着经济建设的发展，工程设计人员需要有更系统、更科学的设计思想和方法，以达到提高产品开发效率、节约原材料、降低成本及提高产品质量的目的，结构优化设计则是实现这些目的较佳手段[1]。
渐进结构拓扑优化论文：机械结构拓扑优化设计实例研究
渐进结构拓扑优化论文：机械结构拓扑优化设计实例研究【中文摘要】机械结构拓扑优化设计是在保证正常使用功能的前提下,从结构中逐步删除无效的单元,使结构的剩余形状进化到一个最佳结构,使每一部分的应力或应变接近于相同的安全水平。
也就是在满足一定的约束条件下,追求例如经济最好,重量最轻,体积最小或寿命最长等目标。
传统的结构优化通常是将一个或者几个参数确定为主要优化目标,而其它参数响应就成为一种约束,只能达到符合要求的程度。
随着计算机的发展和分析效率的不断提高,引入拓扑优化的反馈机制将分析信息直接应用与指导设计,提高设计效率。
首先,用基本渐进结构拓扑优化方法对各类梁进行拓扑优化实例设计,得到梁的最佳结构,并分别用变分方法得到梁的优化设计曲线线型,把设计的最佳模型和理论线型进行比较,证明了拓扑优化的可行性。
其次,用双向渐进结构拓扑优化方法对各类梁进行拓扑优化实例设计,并与基本渐进结构所得模型比较并证明其可行性和更优性。
对多载荷情况下进行渐进结构拓扑优化设计并与实际应用模型比较。
最后,用上述方法对工程中的实际例子轮毂进行分析,首先在UG中建立轮毂模型并在ANSYS中利用渐进结构拓扑优化程序进行优化设计,得到车轮轮辐在径向和弯曲载荷下的优化模型。
得到轮辐在4次、5次或6次不同时刻不同位置加载径向力下的模型并进行比较。
【英文摘要】The machine structure topology optimization design is guarantee of the normal function, and delete theinvalid unit from the structure gradually to make the remaining structure evolution to a best structure and to keep the each part of the stress or strain lever close to the same security configuration. It pursues the best efficiency, the lightest weight, the smallest volume, or the longest useful life period and so on. The traditional design of structure optimizes set one or several parameter as the main determination. This method only achieves the requested degree. With the development of computer and the analysis efficiency, we introduce feedback mechanism into design to direct design and raise the rated capacity by analyses information.First, carries on the evolutionary structural topology optimization method to make thet opology optimizationg design for the various types of beams,gets the best structure and uses the variational method to obtain the optimization design curve of the uniform pare the best model with the theory curve to prove the valid of it.Next, carries on the bi-directional evolutionary structural topology optimization to design the example of beams, and compares this model with the model desighed by the evolutionary optimization and to prove its feasibility and better than that.Makes the evolutionary structure of topology optimization under the multiple loading conditions andcompares the design model with the practical application of model.Finally, using the above method to analysis the practical examples of engineering,such as wheel, first of all toestablish the wheel in the UG and use of evolutionary structural topology optimization procedure to optimized design in the ANSYS, get the best optimization wheel spokes in the radial and bending loads. And get the spoke model at the 4,5 or 6 different locations at different times under the load of the model of radial force and compared with each other.【关键词】渐进结构拓扑优化变分方法双向渐进结构拓扑优化多载荷【英文关键词】ESO Variational method BESO Multi-load【目录】机械结构拓扑优化设计实例研究摘要5-6Abstract6第1章绪论10-161.1 课题研究背景10-111.2 结构拓扑优化的发展和研究现状11-131.3 本论文的主要内容13-16第2章对ANSYS和UG功能简介及应用16-262.1 有限元软件ANSYS简介16-182.1.1 ANSYS软件简介162.1.2 主要功能介绍16-182.2 ANSYS单元生死技术概述18-212.2.1 单元生死技术的原理18-192.2.2 单元生死分析基本过程19-212.2.3 单元生死应用212.3 UG的简介21-232.3.1 UG的功能简介21-232.3.2 UG和ANSYS之间的导入应用及单位制232.4 拓扑优化中所使用的准则23-26第3章渐进结构拓扑优化实例设计26-503.1 基本的渐进结构优化方法26-333.1.1 基于应力约束条件优化273.1.2 基于刚度或位移约束的结构拓扑优化27-303.1.2.1 总刚度约束的结构优化27-283.1.2.2 位移约束的结构优化28-293.1.2.3 基于应力、刚度约束优化29-303.1.3 算例应用及分析30-333.1.3.1 应力约束30-323.1.3.2 刚度或位移约束323.1.3.3 应力刚度双重优化32-333.2 拓扑优化实际例子设计33-503.2.1 集中力梁拓扑优化设计33-363.2.1.1 按强度准则的集中力梁拓扑优化设计33-343.2.1.2 按强度刚度准则的集中力梁的拓扑优化设计343.2.1.3 理论分析所得的最优结果34-363.2.2 受均布载荷作用的梁的结构优化设计36-403.2.2.1 按强度准则的均布梁拓扑优化设计36-373.2.2.2 网格密度小时的优化设计373.2.2.3 网格密度大时的优化设计373.2.2.4 网格密度大小对结果的影响373.2.2.5 理论分析的最优结果37-393.2.2.6 按强度刚度准则的均布梁的自反馈结构优化39-403.2.3 受组合变形梁的结构优化设计40-433.2.3.1 受拉弯组合梁按强度准则的结构优化设计40-413.2.3.2 理论分析模块41-433.2.3.3 受拉弯组合梁按强度刚度准则的结构优化设计433.2.4 受弯扭组合梁的结构优化设计43-443.2.5 受压柱的结构优化设计44-453.2.6 筒形截面结构分析45-483.2.6.1 矩形截面和方形截面结构应力比较45-463.2.6.2 圆形截面和椭圆形截面比较46-483.2.7 工字钢截面结构优化设计483.2.8 总结48-50第4章双向渐进结构拓扑优化实例设计50-604.1 双向渐进结构拓扑优化50-584.1.1 双向渐进结构优化实现方法50-514.1.2 双向渐进结构优化实现流程51-524.1.3 实例优化设计52-584.1.3.1 集中力梁的双向渐进结构分析52-544.1.3.2 组合梁双向渐进结构拓扑优化设计54-574.1.3.3 考虑自重的柱的拓扑优化设计57-584.2 多载荷情况下的结构优化58-604.2.1 特殊算例分析58-60第5章工程实例优化设计60-705.1 轮毂受力分析60-645.1.1 轮式汽车的行驶系60-615.1.2 轮毂受力分析61-645.2 轮毅优化设计64-685.2.1 径向载荷优化设计64-665.2.2 弯曲载荷优化设计66-685.2.3 进化规则对设计结果的影响685.3 循环载荷下理想轮毂优化设计68-70第6章结论70-72参考文献72-76致谢76-78附录78-84。
结构拓扑优化研究方法综述
结构拓扑优化研究方法综述一、本文概述结构拓扑优化作为一种高效的结构设计方法，旨在寻找在给定的设计空间和约束条件下，具有最优性能的材料分布方式。
随着计算机技术和数值方法的快速发展，结构拓扑优化在航空航天、汽车、建筑等多个领域得到了广泛应用，成为提高结构性能、减轻结构重量、降低材料成本的重要手段。
本文旨在对结构拓扑优化的研究方法进行综述，以期为后续的研究提供参考和借鉴。
本文将首先介绍结构拓扑优化的基本概念和研究背景，阐述其在工程实践中的重要性。
随后，将综述结构拓扑优化的主要研究方法，包括变密度法、水平集法、移动可变形组件法等，并分析各方法的优缺点和适用范围。
还将讨论结构拓扑优化中的关键技术和挑战，如多尺度优化、多目标优化、稳健性优化等，并介绍相应的解决方法。
本文将总结结构拓扑优化研究的现状和发展趋势，展望未来的研究方向和应用前景。
通过本文的综述，期望能够为结构拓扑优化的研究和实践提供有益的参考和指导。
二、结构拓扑优化的发展历程结构拓扑优化作为结构优化领域的一个重要分支，其发展历程可追溯至上世纪60年代。
初期的拓扑优化主要基于数学规划和几何规划的方法，通过改变结构的连接方式和分布来寻求最优的结构设计。
然而，由于计算能力和算法的限制，这些方法在实际应用中遇到了诸多困难。
随着计算机技术的飞速发展，特别是有限元方法和优化算法的进步，结构拓扑优化在80年代末期至90年代初期迎来了突破性的发展。
研究者开始利用计算机强大的计算能力，结合数值分析和优化算法，对结构拓扑进行优化设计。
这一时期，涌现出了多种基于数学规划的拓扑优化方法，如均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法等。
这些方法在航空航天、汽车、建筑等领域得到了广泛应用，有效提高了结构的设计水平和性能。
进入21世纪，结构拓扑优化研究进入了一个全新的阶段。
研究者开始关注更复杂、更实际的工程问题，如多材料结构拓扑优化、考虑制造约束的拓扑优化等。
随着高性能计算和大数据技术的发展，结构拓扑优化方法也在不断创新和完善。
面向增材制造的热力耦合拓扑优化方法研究
面向增材制造的热力耦合拓扑优化方法研究随着科技的不断发展，增材制造技术以其独特的优势吸引了越来越多的关注。
然而，随着增材制造的应用范围不断扩大，其在设计和制造过程中面临的挑战也日益凸显。
热力耦合拓扑优化是一种应用于增材制造的有效方法，旨在通过优化材料的分布和热力行为，实现设计的自由度和制造的可行性之间的平衡。
通过将热力行为纳入拓扑优化过程，可以最大程度地提高零件的性能，并减轻制造过程中的热变形和残余应力。
热力耦合拓扑优化方法的研究需要综合考虑材料的热导率、热膨胀系数以及热对流等因素，并将其纳入到拓扑优化模型中。
通过这种方法，可以实现零件材料分布的最优化，以提高性能和延长零件的使用寿命。
热力耦合拓扑优化方法在增材制造中的应用具有重要的指导意义。
首先，通过研究材料的热力行为，可以减轻热变形和残余应力对零件性能的影响，提高增材制造的成型精度。
其次，通过优化材料的分布，可以提高零件的强度和稳定性，提高材料的利用率，降低成本。
最后，通过热力耦合拓扑优化方法，可以为增材制造技术的进一步发展提供理论和技术支持。
然而，热力耦合拓扑优化方法的研究仍面临一些挑战。
首先，由于增材制造过程中的温度场和应力场的复杂性，热力耦合模型的建立具有一定的难度。
其次，热力行为的优化可能会导致零件的形状和结构复杂化，从而增加了制造过程的难度。
综上所述，热力耦合拓扑优化方法在增材制造领域具有重要的研究意义和应用价值。
通过综合考虑材料的热力行为，可以实现零件性能的最大化，并提高材料的利用率和制造的可行性。
然而，该方法的研究仍面临一些挑战，需要进一步深入研究和探索。
相信随着科技的不断进步，热力耦合拓扑优化方法将为增材制造技术的发展提供更多有效的指导和支持。
教学课件智能制造数字化增材制造-第6章-创成式设计及拓扑优化
拓扑优化和约束
3）沿矢量方向拉伸约束是一种沿矢量方向保持恒定截面的约束。 4）打样约束可以为铸造或锻造一个组件提供设计约束。 优化器提供了三种方法来指定分型面，这些分型面通过与构件几何图形的交点来定义 几何图形所依据的分型线。这三种方法分别为优化器自动生成分型面；指定一个简单的平 面来定义分型面；根据选择表面来定义分型面。图6-25 所示为三种定义分型面的方法。
拓扑优化和约束
材料扩展约束可以为附加过程提供更多的空间，使粉末能够逸出，但也会产生更多的 悬垂结构，可能会使支撑要求复杂化。因此，这个约束条件可能需要经过试验才能获得最 理想的结果。图6-27 所示为设置30%、60% 和100% 时的优化结果。
拓扑优化和约束
当设置设计空间为【需要全局对称】时，应用对称约束可通过一个设计空间的1/2 或 1/4 来实现全局对称。如果未指定【需要全局对称】，则设计空间为整个组件，优化器将 按要求提供对称解决方案。图6-22 所示为指定与未指定【需要全局对称】的结果对比。
拓扑优化和约束
当通过一根轴和一些特征来创建圆形时，需要应用旋转对称约束。图6-23 所示为一个 具有六个对称特征的模型。
04
拓扑优化和约束
拓扑优化和约束
图6-20 所示为不同类型的设计约束。可以将约束应用于所选的设计空间，以便优化器 在迭代该设计空间的拓扑解决方案时考虑约束。这些约束中有一些可帮助增材制造构建的 零件。
拓扑优化和约束
1）对称约束可能更多地与功能需求相关，而不是与流程需求相关。但是对称约束可以 应用到设计空间。当组件需要具有镜像几何图形时，可以应用平面约束。可以使用一个或 两个对称平面作为约束条件。图6-21 所示为使用双对称平面的结果。
拓扑优化和约束
基于仿生子结构的空间结构节点拓扑优化及3D打印研究
基于仿生子结构的空间结构节点拓扑优化及3D打印研究基于仿生子结构的空间结构节点拓扑优化及3D打印研究随着科学技术的不断发展，近年来，结构工程领域的研究取得了巨大的突破。
特别是在空间结构领域，基于仿生子结构的节点拓扑优化及3D打印技术的研究日益受到人们的关注。
本文将从仿生学的角度探讨空间结构节点拓扑优化及3D打印技术的研究现状和发展趋势。
首先，我们来了解一下仿生学。
仿生学是以生物为原型，运用生物学、化学、物理学等多学科知识研究生物形态、功能、行为的学科。
通过对生物系统的研究，人们不断探索生物界的奇妙之处，并将这些原理应用到工程领域中。
基于仿生学的节点拓扑优化，即通过模仿生物结构，寻找空间结构中最优的节点分布方式，以提高结构的性能。
节点拓扑优化是空间结构设计中的关键问题之一。
传统的节点拓扑优化方法主要基于经验，往往需要进行大量的试验和修改，效率低下。
而基于仿生子结构的节点拓扑优化则通过研究生物界的结构形态，寻找最佳的节点布局。
例如，我国著名的水稻根系结构，其根系形态呈现出高度分级的结构，由粗到细逐渐分支。
将这种分级结构应用到空间结构中，可以有效地提高结构的稳定性和承载力。
此外，研究人员还发现，部分生物的骨骼结构具有迷人的力学性能，通过仿生学的思想，可以将这些奇妙的力学性能应用到空间结构中，从而进一步优化节点的布局。
在节点拓扑优化的基础上，3D打印技术为这一研究提供了更大的空间。
传统的施工方式存在很大的局限性，无法满足复杂结构的制造需求。
而3D打印技术可以根据设计师的意愿，直接将复杂结构打印出来，大大提高了结构的制造效率。
此外，3D打印技术还可以实现结构的个性化定制。
每个节点可以根据其受力情况进行独立设计和制造，进一步提高结构的性能。
同时，3D打印技术还可以减少材料的浪费，为环境保护作出贡献。
然而，在将基于仿生子结构的节点拓扑优化与3D打印技术相结合的过程中，仍然存在一些挑战。
首先，如何确定最优的节点布局仍然是一个复杂的问题。
通过拓扑优化设计零件[发明专利]
![通过拓扑优化设计零件[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/23aca0b203d276a20029bd64783e0912a2167c82.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811580561.8(22)申请日 2018.12.24(30)优先权数据17306932.9 2017.12.24 EP(71)申请人 达索系统公司地址 法国韦利济－维拉库布莱(72)发明人 D ·L ·邦纳 C ·B ·W ·彼泽森 (74)专利代理机构 永新专利商标代理有限公司72002代理人 刘瑜 王英(51)Int.Cl.G06F 17/50(2006.01)B33Y 50/00(2015.01)(54)发明名称通过拓扑优化设计零件(57)摘要本发明显著地涉及用于通过拓扑优化来设计零件的计算机实现的方法。
该方法包括定义用于对零件的优化的工作体和应用于零件的至少一个边界条件，计算工作体上的矢量场，场的每个矢量表示对应于满足至少一个边界条件的最佳方向和材料量，通过从矢量场中的起点进行传播来计算一组流线。
针对该组中的每条流线，计算该零件的主要结构的元素，并且计算零件的次要结构，该次要结构将一组主要结构元素以及次要结构元素链接在一起。
权利要求书2页 说明书13页 附图12页CN 110020455 A 2019.07.16C N 110020455A1.一种用于通过拓扑优化来设计零件的计算机实现的方法，包括：-定义(S10)用于对所述零件的优化的工作体；-定义(S20)应用于所述零件的至少一个边界条件；-计算(S30)所述工作体上的矢量场，所述场的每个矢量表示对应于满足所述至少一个边界条件的最佳方向和材料量；-通过从所述矢量场中的起点进行传播来计算(S40)一组流线；-针对所述组中的每条流线，计算(S50)所述零件的主要结构的元素；以及-计算(S60)所述零件的次要结构，所述次要结构将一组主要结构元素以及次要结构元素链接在一起。
现代设计、制造方法与《工程图学》中机械零件构形分析
!"#!$%&$'(')*+&,-./&$01$21(3$&)%)$%1%8%现代设计 制造方法与 工程图学 中机械零件构形分析王玉慧4肖立峰4于勇4刘静华北京航空航天大学机械工程及自动化学院!北京!%$$%?%摘4要 随着现代设计及加工方法的发展!机械零件的构形设计发生了很大变化"很多现代产品构形设计采用了基于有限元分析的优化设计方法!有拓扑优化*结构轻量化设计!使得产品在满足强度*刚度要求的前提下!结构更合理*重量轻!有更好的运动学和动力学性能#另一方面!先进的加工方法使得以往难以加工的零件结构变得易于加工"所以在-工程图学.中零件构形与表达相关内容中要适当介绍现代设计*加工方法相关的零件构形问题!使得学生拓宽视野!将产品的设计中!构形设计*工程分析*加工制造等一系列内容有机融合!有利于后续学习和研究!更好地培养学生的工程素养"关键词 工程图学#零件构形44,工程图学-是工程大类学生的基础课"研究工程设计表达$交流#其中有一个重要章节是.机械零件的构形与表达/"介绍机械零件的合理构形与表达方案#学生在学习机械零件表达的时候"经常提出.零件为什么构造成如此形状/的问题#以往讲合理构形是基于经验"考虑重量$刚度$密封以及加工等因素"向学生讲解产品构形与性能的关系"让学生对于产品的构形原因有所了解#现代设计$制造方法在很大程度上改变了以往零件构形的方式和零件的形态"所以在.机械零件的构形与表达/介绍零件的现代构形方法"给学生拓宽视野"提高工程素养"为后续学习$研究打基础#一 结合现代设计方法的零件构形以往的.机械零件的构形与表达/章节"常常以齿轮油泵泵体的构形作为案例"先以.内定外/原则给出齿轮腔部分的形状"在满足产品功能要求前提下"凭经验或参考已有产品粗略给出泵体的外部形状"然后再考虑产品重量$刚度$密封等因素"逐步对零件的形状进行定性的优化"比如进行整体减薄$局部加厚以减轻零件的重量"添加加强筋以提高零件的刚度"泵体与泵盖接合出增加接触面积以提高密封性能"减少机加工面积以降低加工成本等"这种构形优化是定性的"不能够给出零件较为确切的形状$尺寸#现代设计中基于有限元分析进行机械零件的结构优化是赋予零件合理构形的科学方式"例如文献&$'*&9'中"采用有限元分析方法"分别进行了汽车转向节$汽车排气管吊耳支架$发动机曲轴$汽车转向节和汽车转向直拉杆臂的结构优化设计#图$中($)$())分别为文献&9'中转向直拉杆臂优化前和优化后的构形#可见"在满足性能前提下"优化后的零件改变了零件的拓扑结构"实现了重量减轻#在,工程图学-课上讲一些这一类的案例"使学生了解到"现代设计中零件结构是通过科学计算进行优化后确定的#介绍现代设计方法对产品设计构形的影响"能够让学生在大一的学习中了解现代产品设计过程$设计方法"认识到产品的形状"是在综合考虑产品功能的基础上"基于现代设计理论和方法"经过科学计算得到的优化结果#体现了,工程图学-课程的工程性以及以产品设计为主线"更好地培养学生的工程素养和科学思维#$$%优化前$)%优化后图$汽车转向直拉杆臂讲完设计案例"同时向学生介绍"后续的理论力学$材料力学$等课程给研究结构优化奠定基础"使学生对于后续学习有所了解"激发了学生的学习兴趣#二 结合现代制造方法的零件构形在,工程图学-的.机械零件的构形与表达/章节里"还要向学生讲解机械零件的结构工艺性"让学生了解产品的可加工性"以往是基于传统的加工方法介绍这部分内容的#碧如零件构形考虑铸造圆角$减少铸造中的分箱面$添加工艺结构$钻孔时考虑钻头垂直于零件表面等因素##)%!科技风"#"$年%月机械化工现代加工方法使得很多以往用普通机床难以加工的结构变得易于加工"碧如数控机床可以方便地加工带有自由曲面的零件"不再像传统的机床难以加工自由曲面%考虑数控加工加工成本尽量让零件不带有负角而能采用用三轴加工"数控机床还可以加工形状复杂的零件"碧如可加工图)所示的整体叶轮"所以叶轮不再必须用焊接的方法焊上叶片"文献&0'研究了整体叶轮的加工技术#图)整体叶轮以往采用数控机床也无法加工的复杂的镂空结构"采用(!打印易于成型"如图(中(!打印的巴黎铁塔模型#图((!打印的巴黎铁塔模型44所以在介绍机械零件构形时"介绍现代加工方法如!数控加工$生物加工$(!打印$激光切割等"以及加工方法对于零件构形的影响#让学生建立起零件构形与加工方法密切相关这个概念"有利于学生日后进行设计时密切结合工程实际"考虑零件的可加工性#三 结语大学生学习是一个渐进过程"在,工程图学-这门基础课中虽不能将产品设计的理论讲深$讲透"但是可以通过工程案例教学给学生建立一个纵向的全局观念"将.设计*分析*制造/有机串联"引发学生的学习兴趣"培养工程素养和科学思维"为后续课程的学习及研究打下基础"为培养综合型$创新型人才做出贡献#参考文献&$'赵超尘!吴迪!王海森!孙志远!刘蕴博!尤广毅!程振青!吴景铼&一种汽车转向节的轻量化设计&7'&汽车零部件!)%)%$%3%($20&&)'王鲁斌!何府林&某汽车排气管吊耳支架拓扑优化设计&7'&汽车实用技术!)%)%$%)%($))2$)3&&('赵军&发动机曲轴减重优化设计与可靠性分析&!'&重庆大学!)%$1!9&&3'曾文豪&汽车铝合金转向节结构拓扑优化与有限元分析&!'&华南理工大学!)%$8&&9'孙雪梅!张庆!孙成通!王永杰&基于逆向工程的汽车零部件拓扑优化及(!打印应用研究&7'&冶金管理!)%$'$$9%((32(9=(1&&0'董佑浩&整体叶轮侧铣加工变形研究&!'&山东大学!)%)%&基金项目 )%$(年北京航空航天大学教改立项!项目名称(结合现代产品设计方法的-工程图学.装配体及零件构形案例教学探索作者简介 王玉慧$$'03)4%!女!汉族!河南郑州人!博士!副教授!教师!研究方向(工程图学*计算机图形图像处理"")%机械化工科技风"#"$年%月。