梯度異質(zhì)材料實(shí)體優(yōu)化設(shè)計(jì)及成型規(guī)劃方法研究.pdf

1、梯度異質(zhì)材料實(shí)體是一種由多相組分材料光滑過渡形成的功能材料零件，其由于能夠同時(shí)利用多相組分材料的優(yōu)良屬性而在航空航天、過程裝備、光學(xué)工程、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，以分層制造為特點(diǎn)的快速成型技術(shù)的興起使得低成本、大批量制備梯度異質(zhì)材料實(shí)體成為可能。在這樣的背景下，梯度異質(zhì)材料實(shí)體的開發(fā)越來越受到專家和學(xué)者的關(guān)注，這一研究熱點(diǎn)涉及到數(shù)學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，論文系統(tǒng)地研究了梯度異質(zhì)材料實(shí)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造過程規(guī)劃的理論

2、和方法，完善了基于有限元方法的梯度異質(zhì)材料實(shí)體的計(jì)算機(jī)輔助開發(fā)流程，具有重要的理論和實(shí)踐意義。
　　針對溫度場中產(chǎn)生熱量最小化以及溫度最均勻化的材料設(shè)計(jì)問題，對溫度場中的材料熱傳遞性能進(jìn)行了有限元分析，深入研究了溫度場中的材料分布優(yōu)化的插值模型、設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件，提出了基于單純形法和序列線性規(guī)劃的優(yōu)化計(jì)算模型，設(shè)計(jì)了基于海維賽函數(shù)的體積分?jǐn)?shù)過濾器來保證計(jì)算的數(shù)值穩(wěn)定性，并對平面單元和殼單元的熱傳遞行為進(jìn)行了分析和探討，通過實(shí)例驗(yàn)

3、證了計(jì)算模型的可行性和有效性。
　　傳統(tǒng)的材料分布優(yōu)化所采用的均質(zhì)單元不能有效地描述連續(xù)分布的異質(zhì)材料，在結(jié)構(gòu)場中提出了基于梯度單元的梯度異質(zhì)材料實(shí)體有限元表達(dá)模型，得到在設(shè)計(jì)空間中連續(xù)的材料體積分?jǐn)?shù)函數(shù)，為了在優(yōu)化中體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的意圖，提出了基于自適應(yīng)設(shè)計(jì)變量下限更新算法對材料的梯度進(jìn)行局部控制，在有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的鄰域內(nèi)實(shí)施該算法，結(jié)合移動漸近線算法將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一序列的優(yōu)化子問題進(jìn)行迭代求解，提出了統(tǒng)一的梯度異質(zhì)材料實(shí)體優(yōu)化設(shè)

4、計(jì)方法，通過實(shí)例驗(yàn)證了該梯度材料輕量化設(shè)計(jì)方法的有效性和實(shí)用性。
　　對具有多個(gè)沖突的設(shè)計(jì)目標(biāo)的材料分布優(yōu)化問題的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，探討了異質(zhì)材料的遺傳算法編碼方式，針對材料分布優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的高維特點(diǎn)，提出了基于外部存檔式微遺傳算法的梯度材料進(jìn)化方法，通過拉丁超立方抽樣和隨機(jī)排列技術(shù)形成初始種群，構(gòu)造外部存檔來保存進(jìn)化中的精英個(gè)體，基于等均值最近鄰搜索剪枝方法確定精英個(gè)體保留和刪除的原則，運(yùn)用模擬二進(jìn)制交叉和多項(xiàng)式變異技術(shù)對實(shí)值編碼

5、的個(gè)體實(shí)施遺傳操作，建立了多目標(biāo)材料分布優(yōu)化遺傳算法的模型，通過實(shí)例驗(yàn)證了該模型的可行性和適用性。
　　為了充分利用計(jì)算機(jī)軟硬件資源提高設(shè)計(jì)和計(jì)算的效率，分析和探討了梯度異質(zhì)材料實(shí)體優(yōu)化算法的并行化方案，在單目標(biāo)優(yōu)化中對有限元網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域分解，構(gòu)造預(yù)處理共軛梯度方法迭代求解實(shí)體平衡方程，將計(jì)算任務(wù)按照子區(qū)域分配至并行的進(jìn)程分別處理，在多目標(biāo)優(yōu)化中采用錐形分割模型對遺傳算法的搜索空間進(jìn)行分解，并將計(jì)算任務(wù)分配至并行的進(jìn)程，最終匯總結(jié)

6、果，提出了基于消息傳遞接口的梯度異質(zhì)材料實(shí)體優(yōu)化設(shè)計(jì)的并行計(jì)算方法，通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法。
　　為了對梯度異質(zhì)材料實(shí)體的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和制造環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成和并行，提出了基于分層梯度有限元方法的實(shí)體制造信息模型，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)三角化語言將實(shí)體的幾何設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為平面三角形面片格式，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言表達(dá)實(shí)體的幾何信息和材料信息，運(yùn)用均勻切片技術(shù)將實(shí)體幾何模型分層，根據(jù)材料的分布特點(diǎn)選擇和設(shè)計(jì)掃描模式，在取樣點(diǎn)通過形函數(shù)對幾何和材料進(jìn)行插值，提