热弹性结构应力约束拓扑优化方法及在汽车结构设计应用研究

作     者：陈建良 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵清海

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：拓扑优化 热弹性结构 应力约束 汽车结构轻量化 发动机活塞 

摘      要：随着我国汽车产业的迅速发展,能源短缺与环境污染问题日益严重。因此,减少汽车的整备质量以提升燃油经济性仍然是汽车总体的研究方向与发展趋势。在满足结构强度与安全性的前提下,对汽车结构或零部件进行轻量化设计具有重要的工程价值。拓扑优化作为一种应用在概念设计阶段的结构优化方法,能够充分发挥材料的性能,可以在满足刚强度等要求的同时实现最优结构设计。鉴于此,本文开展考虑应力约束的热弹性结构拓扑优化方法研究,并应用于汽车零部件的轻量化设计。围绕上述内容,本文的主要研究内容及成果如下:(1)基于均匀温度变化值的稳态热弹性结构应力约束拓扑优化设计方法。推导了稳态热弹性结构的有限元方程,采用全局应力约束方法并进行灵敏度求解。考虑以结构体积分数为目标,单元最大等效应力为约束。通过移动渐近线法优化设计变量并使用密度过滤器避免优化结果的棋盘格现象。将应力约束的优化结果与柔度为目标的结果进行对比表明,采用全局应力约束可以有效控制结构的最大应力并避免应力集中现象,以满足材料的强度要求。同时,温度差值的提升会同步增大结构的目标体积分数,说明更高的应力需要更多的材料来承载,体现了所提出方法的有效性。(2)开展受非均匀温度场影响的稳态热弹性结构应力约束拓扑优化设计。考虑温度场的影响,使结构同时受到机械载荷与热载荷耦合作用,并采用全局温度约束方法限制结构最大温度值。通过三个不同的拓扑优化数学模型,讨论了应力和温度约束对拓扑结构的影响。数值算例表明,单一的应力或温度约束会分别导致结构最大温度或最大应力的激增,而同时对其进行约束能够有效控制结构的最大应力与最大温度,并实现优化结构的体积最小化。(3)针对瞬态温度场开展热弹性结构温度与应力约束拓扑优化设计研究。稳态温度场是一种理想状态,而实际工程应用中热传导现象是瞬态变化的。考虑瞬态温度场的影响,针对最大温度值和最大应力值在时间和空间维度上的不连续性,使用聚合函数将其聚合为一个全局时域温度或应力总值,并建立约束函数。数值算例表明,最优拓扑结果具有明显的瞬态效应,所提出方法可以有效地控制结构在给定工作时间内的最大温度或最大应力。(4)使用应力约束拓扑优化方法对天鹅颈式尾翼支架和发动机活塞进行轻量化设计。首先选取合适的设计空间,随后施加载荷和位移等边界条件并进行拓扑优化。结果表明,优化后的尾翼支架和活塞的质量相较于初始模型均有一定程度的减轻,拓扑结构的位移与等效应力也满足设计要求,验证了所提出方法的可行性,为汽车尾翼支架和活塞以及其他部位的关键零部件的轻量化设计提供了理论指导。