拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的案例
高分子“變形金剛”——拓?fù)?/em>結(jié)構(gòu)可變的聚合物重新定義刺激響應(yīng)型聚合物的未來(lái)
為了促進(jìn)高分子學(xué)界對(duì)“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變高分子”（Architecture-Transformable Polymers）這類新型刺激響應(yīng)型聚合物的思考，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的Sumerlin教授團(tuán)隊(duì)近期通過(guò)綜述的形式首次詳細(xì)地總結(jié)了該新興方向的研究進(jìn)展。首先，他們根據(jù)合成方法學(xué)，系統(tǒng)地歸納了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變高分子的兩大分支：可逆共價(jià)鍵化學(xué)以及超分子化學(xué)（圖一）。前者將刺激響應(yīng)型可逆共價(jià)鍵引入到高分子的支化點(diǎn)(即主鏈與支鏈的連接點(diǎn))，并通過(guò)施加響應(yīng)來(lái)打斷并重組支化點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)聚合物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。迄今為止，一系類刺激響應(yīng)型共價(jià)鍵已經(jīng)被成功應(yīng)用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變高分子的合成過(guò)程中（圖二）。這些非常 “聰明” 的高分子可以通過(guò)對(duì)熱，光，力等外界信號(hào)發(fā)生響應(yīng)引發(fā)各式各樣高分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的相互變化。
圖一：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變高分子的兩種合成途徑。（a）可逆共價(jià)鍵化學(xué)；（b）超分子化學(xué)。圖片來(lái)源: Elsevier
圖二：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變高分子體系中的可逆共價(jià)化學(xué)，包括熱響應(yīng)，光響應(yīng)，氧化還原響應(yīng)，以及力響應(yīng)。圖片來(lái)源: Elsevier
Sumerlin團(tuán)隊(duì)利用可逆共價(jià)化學(xué)方法，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變高分子領(lǐng)域完成了很多先驅(qū)性的工作（Chem. Sci. 2014, 5, 4646–4655; Chem. Sci. 2017, 8, 1815–1821; Nat. Chem. 2017, 9, 817–823; Macromolecules, 2018, 51,356-363）。例如，該團(tuán)隊(duì)在2017年設(shè)計(jì)了一系列基于Diels-Alder 共價(jià)鍵的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變高分子（圖三）。在這項(xiàng)研究中，他們將熱敏感的呋喃-馬來(lái)酰亞胺 （Furan-Maleimide）共價(jià)鍵鑲嵌在超支化聚合物的支化點(diǎn)或者線性嵌段共聚物的連接點(diǎn)上。
展開 盤點(diǎn) | 11種開關(guān)電源的拓?fù)?/em>結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
結(jié) 語(yǔ)
本文回顧了目前開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換中最常見的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。除此之外還有許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但大多是這些拓?fù)?/em>的組合或變形。
每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含獨(dú)特的設(shè)計(jì)權(quán)衡：施加在開關(guān)上的電壓，斬波和平滑輸入輸出電流，繞組的利用率。
選擇最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要研究：輸入和輸出電壓范圍，電流范圍，成本和性能、大小和重量之比。
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開關(guān)電源中11種拓?fù)?/em>結(jié)構(gòu)
21、總結(jié)
■此處回顧了目前開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換中最常見的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
■還有許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但大多是此處所述拓?fù)?/em>的組合或變形。
■每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含獨(dú)特的設(shè)計(jì)權(quán)衡：
施加在開關(guān)上的電壓
斬波和平滑輸入輸出電流
繞組的利用率
■選擇最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要研究：
輸入和輸出電壓范圍
電流范圍
成本和性能、大小和重量之比
來(lái)源：ITTBANK
天津大學(xué)仰大勇團(tuán)隊(duì)綜述：生物功能電紡納米材料——從拓?fù)?/em>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到生物應(yīng)用
作者對(duì)e-spin納米材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，制作了一張 “拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)周期表”，電紡納米材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)內(nèi)在邏輯關(guān)系分為三類：個(gè)體、雜化體和組裝體；對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行簡(jiǎn)潔明了的總結(jié)，為研究者提供有價(jià)值的參考，以便針對(duì)特殊應(yīng)用功能選擇特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)制造策略；深入系統(tǒng)地討論了各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的最新進(jìn)展，闡明材料結(jié)構(gòu)與功能和應(yīng)用之間的關(guān)系。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 “靜電紡絲”研究概況
A：過(guò)去二十年，關(guān)鍵詞為“靜電紡絲”的科學(xué)出版物數(shù)量和比例。
B：不同應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)表的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域五大應(yīng)用的分布。
圖2 電紡納米材料的“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)周期表”
電紡納米材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為個(gè)體、雜化體和組裝體。
圖3 用于制造具有中空、核-殼或多通道結(jié)構(gòu)的電紡納米材料裝置的示意圖
A：空心結(jié)構(gòu)；
B：核-殼結(jié)構(gòu)；
C：多通道結(jié)構(gòu)。
圖4 摻雜納米粒子的納米纖維制造方法及形貌
A：聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）/聚丙烯腈（PAN）/Sn離子復(fù)合納米纖維的制造方法示意圖；
B：復(fù)合納米纖維的SEM圖像；
C：制備Sn納米顆粒摻雜的碳基納米纖維示意圖；
D：Sn納米顆粒摻雜的納米纖維SEM圖像。
圖5 負(fù)載藥物的納米纖維制備方法示意圖
A：使用單噴嘴裝置進(jìn)行靜電紡絲；
B：使用同軸雙噴嘴裝置進(jìn)行靜電紡絲；
C：制備藥物包封的納米顆粒，然后將含有藥物的納米顆粒與聚合物基質(zhì)混合進(jìn)行靜電紡絲。
展開 
初識(shí)結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)
在一個(gè)確定的連續(xù)區(qū)域內(nèi)尋求結(jié)構(gòu)內(nèi)部非實(shí)體區(qū)域位置和數(shù)量的最佳配置，尋求結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件布局及節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)方式最優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)能在滿足應(yīng)力、位移等約束條件下，將外載荷傳遞到結(jié)構(gòu)支撐位置，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的某種性態(tài)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。在連續(xù)體Ω上選出一個(gè)子集Ωm，使之滿足目標(biāo)函數(shù)及約束條件。
對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的拓?fù)?/em>優(yōu)化而言就是在給定節(jié)點(diǎn)位置情況下,確定各節(jié)點(diǎn)的最佳連接關(guān)系。對(duì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化而言.不僅要使結(jié)構(gòu)的邊界形狀發(fā)生改變,而且對(duì)結(jié)構(gòu)中的孔洞個(gè)數(shù)及形狀的分布也要進(jìn)行優(yōu)化。目前對(duì)桁架結(jié)構(gòu)及二維連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)?/em>優(yōu)化研究較多。主要困難在于：滿足一定要求的結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>形式具有很多種，這種拓?fù)?/em>形式難以定量描述或參數(shù)化，而需要設(shè)計(jì)的區(qū)域預(yù)先未知，大大增加了拓?fù)?/em>優(yōu)化的求解難度。
拓?fù)?/em>優(yōu)化是一種比尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化更高層次的優(yōu)化方法，也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中最為復(fù)雜的一類問(wèn)題。拓?fù)?/em>優(yōu)化處于結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)階段，其優(yōu)化結(jié)果是一切后續(xù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的初始拓?fù)?/em>不是最優(yōu)拓?fù)?/em>時(shí)，尺寸和形狀優(yōu)化可能導(dǎo)致次優(yōu)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，因此在初始概念設(shè)計(jì)階段需要確定結(jié)構(gòu)的最佳拓?fù)?/em>形式。
拓?fù)?/em>優(yōu)化包括剛性構(gòu)件的拓?fù)?/em>優(yōu)化和柔性構(gòu)件的拓?fù)?/em>優(yōu)化。剛性結(jié)構(gòu)的拓?fù)?/em>優(yōu)化是求解在已知外力作用下設(shè)計(jì)域產(chǎn)生位移最小或材料最省的結(jié)構(gòu)形式。柔性結(jié)構(gòu)的拓?fù)?/em>優(yōu)化是求解結(jié)構(gòu)通過(guò)部分或全部柔性構(gòu)件的變形而產(chǎn)生相應(yīng)位移的拓?fù)?/em>構(gòu)成形式。
另外，還存在一種結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，布局優(yōu)化包含了前三種優(yōu)化的主要內(nèi)容，綜合考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸、形狀和拓?fù)?/em>的優(yōu)化，同時(shí)也考慮外力的最佳作用位置及分布形式，結(jié)構(gòu)的支承條件等，還包括結(jié)構(gòu)單元類型的優(yōu)化。布局優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型描述更為復(fù)雜，求解更困難。目前處于較低的研究水平，國(guó)內(nèi)外很少見文獻(xiàn)報(bào)道，是一個(gè)難以研究的領(lǐng)域。
拓?fù)?/em>優(yōu)化的思想古已有之。
展開 干貨 | 開關(guān)電源中11種拓?fù)?/em>結(jié)構(gòu)，這樣選能事半功倍
21、總結(jié)
■此處回顧了目前開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換中最常見的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
■還有許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但大多是此處所述拓?fù)?/em>的組合或變形。
■每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含獨(dú)特的設(shè)計(jì)權(quán)衡：
施加在開關(guān)上的電壓
斬波和平滑輸入輸出電流
繞組的利用率
■選擇最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要研究：
輸入和輸出電壓范圍
電流范圍
成本和性能、大小和重量之比
干貨｜一文讀懂二十種開關(guān)電源拓?fù)?/em>結(jié)構(gòu)
什么是拓?fù)?/em>呢？所謂電路拓?fù)?/em>就是功率器件和電磁元件在電路中的連接方式，而磁性元件設(shè)計(jì)，閉環(huán)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)及其他所有電路元件設(shè)計(jì)都取決于拓?fù)?/em>。最基本的拓?fù)?/em>是Buck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓)，單端反激(隔離反激)，正激、推挽、半橋和全橋變化器。
開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常見拓?fù)?/em>大約有14種，每種都有自身的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合。選擇原則是要看是大功率還是小功率，高壓輸出還是低壓輸出，以及是否要求器件盡量少等。
因此，要恰當(dāng)選擇拓?fù)?/em>，熟悉各種不同拓?fù)?/em>的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍是非常重要的。錯(cuò)誤的選擇會(huì)使電源設(shè)計(jì)一開始就注定失敗。下面為大家整理匯總了開關(guān)電源20種基本拓?fù)?/em>，幫助系統(tǒng)掌握每種電路結(jié)構(gòu)的工作原理與基本特性。
展開 哈佛大學(xué)李姝聰/鄧博磊Nature: 一滴溶液改變蜂窩微結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>特性
除了三角形網(wǎng)格，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論模型的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了幾種更復(fù)雜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化（圖5）。
圖5. 其他蜂窩微結(jié)構(gòu)的拓?fù)?/em>變形
除了對(duì)材料和幾何結(jié)構(gòu)較好的普適性，該策略具有制造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)變換快速、穩(wěn)定、高度可重復(fù)等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和工業(yè)應(yīng)用的潛力。該團(tuán)隊(duì)展示了一系列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換帶來(lái)的潛在應(yīng)用，包括信息的加密存儲(chǔ)和讀取，對(duì)顆粒、氣泡的捕獲和釋放，以及對(duì)材料表面彈性、摩擦度、潤(rùn)濕性的調(diào)控等（圖6）。
圖6. 微結(jié)構(gòu)的拓?fù)?/em>變形的部分潛在應(yīng)用
最后，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整液滴的大小和位置，可以實(shí)現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)的局部拓?fù)?/em>變換（圖7），而這種方法可以進(jìn)一步加強(qiáng)微結(jié)構(gòu)變換的可控性和實(shí)用性。
圖7. 結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>變換的局部調(diào)控
同行點(diǎn)評(píng)：
南方科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程系 于嚴(yán)淏教授: “材料功能變革的重要突破窗口之一是實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)，尤其是拓?fù)?/em>微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可調(diào)，但體系的高復(fù)雜度導(dǎo)致拓?fù)?/em>微結(jié)構(gòu)調(diào)控十分困難，是新材料研發(fā)的重要挑戰(zhàn)。該工作巧妙設(shè)計(jì)了溶劑溶脹和揮發(fā)在分子和微結(jié)構(gòu)兩個(gè)尺度上產(chǎn)生的耦合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程，首次實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)可逆的拓?fù)?/em>微結(jié)構(gòu)變換。難能可貴的是該方法可應(yīng)用到多種材料和微結(jié)構(gòu)中，為實(shí)現(xiàn)材料系統(tǒng)力、熱、光、電、聲等多方面功能突破提供了全新的普適性方法。”
猶他大學(xué) 波動(dòng)力學(xué)超材料實(shí)驗(yàn)室主任 王派教授: “此次Aizenberg研究組發(fā)表的科研成果毋庸置疑是具有劃時(shí)代意義的 。
展開 基于walker星座拓?fù)?/em>結(jié)構(gòu)的碰撞分析
針對(duì)ｗａｌｋｅｒ星座，研究了軌道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到了星座特有的一些性質(zhì)。根據(jù)特性，分析了ｗａｌｋｅｒ星座衛(wèi)星的幾個(gè)常量 參數(shù)，并推導(dǎo)＿『軌道交點(diǎn)的交點(diǎn)衛(wèi)星角距計(jì)算公式和嚴(yán)格碰撞判決公式。根據(jù)ｗａｌｋｅｒ星座最小衛(wèi)星間距的搜索計(jì)算方法， 為優(yōu)化確定衛(wèi)星最小距離約束值，提出和推導(dǎo)了最小衛(wèi)星間距快速計(jì)算方法，方法僅依據(jù)星座基本常量參數(shù)，與時(shí)間不關(guān) 聯(lián)，具有計(jì)‘算速度快的特點(diǎn)，最后給出了廣義碰撞的判決條件。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了ｗａｌｋｅｒ星座最小衛(wèi)星間距快速計(jì)算方 法的精確性和快速性，體現(xiàn)了方法在星座設(shè)計(jì)碰撞分析中的可行性和有效性
基于walker星座拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的碰撞分析.pdf
展開 結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化的基本原理和三種常用的方法
結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化的基本原理和三種常用的方法
什么是拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)？
拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)是在給定材料品質(zhì)和設(shè)計(jì)域內(nèi)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可得到滿足約束條件又使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局形式及構(gòu)件尺寸。
圖1 擺臂拓?fù)?/em>優(yōu)化的設(shè)計(jì)與非設(shè)計(jì)區(qū)域
圖2 施加載荷及邊界條件的擺臂有限元模型
自1988 年Bendsoe與Kikuchi提出基于均勻化方法的結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)基本理論以來(lái)，近二十幾年間結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>設(shè)計(jì)研究得到深入和廣泛的研究，已成為國(guó)際工程結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
目前，拓?fù)?/em>設(shè)計(jì)理論在柔性受力結(jié)構(gòu)MEMS器件及其它柔性微操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的研究。
目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)有四大領(lǐng)域
尺寸優(yōu)化( sizing optimization)
形狀優(yōu)化(shape optimization)
拓?fù)?/em>與布局優(yōu)化(topology optimization)
結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化
拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程
目前主要的拓?fù)?/em>優(yōu)化方法
1. 均質(zhì)化方法(homogenization method)
均質(zhì)化方法是連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化研究中應(yīng)用較廣的一種物理描述方法。Bendsoe與Kikuchi于1988年提出基于均質(zhì)化方法的結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)基本理論。
其基本思想是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的材料中引入上圖所示微結(jié)構(gòu)。實(shí)體材料所占的面積可用以下表達(dá)式來(lái)表示：
單元的密度函數(shù)為：
式中：0 ≤a≤1，0≤b≤1，Ω是設(shè)計(jì)區(qū)域，Ωs是實(shí)體區(qū)域，ρs是材料的密度，其設(shè)計(jì)參數(shù)有a、b和該微結(jié)構(gòu)的方向角θ。
主要應(yīng)用領(lǐng)域：目前均勻化方法研究范圍主要涉及多工況平面問(wèn)題、三維連續(xù)體問(wèn)題、振動(dòng)問(wèn)題、熱彈性問(wèn)題、屈曲問(wèn)題、三維殼體問(wèn)題、薄殼結(jié)構(gòu)問(wèn)題和復(fù)合材料拓?fù)?/em>優(yōu)化等方面的問(wèn)題。
2.
展開 ANSYS Mechanical拓?fù)?/em>優(yōu)化功能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
1 引言
結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的研究分為三個(gè)方面：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化(Sizing Optimization)、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化(Shape Optimization)和結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化(Topology Optimization)。目前，尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化的理論和實(shí)際基本成熟，而拓?fù)?/em>優(yōu)化的理論和計(jì)算比較復(fù)雜，使其研究領(lǐng)域最富挑戰(zhàn)。拓?fù)?/em>優(yōu)化能進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初始階段的概念性設(shè)計(jì)，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)與部件，通過(guò)拓?fù)?/em>優(yōu)化能夠幫助設(shè)計(jì)者靈活地、理性地優(yōu)選新穎高效的方案，探尋結(jié)構(gòu)的最佳材料分布。
2 拓?fù)?/em>優(yōu)化概念
結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化的基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)?/em>問(wèn)題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化研究領(lǐng)域主要分為連續(xù)體拓?fù)?/em>優(yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化，目前遇到最多的是連續(xù)體的拓?fù)?/em>優(yōu)化問(wèn)題。連續(xù)體拓?fù)?/em>優(yōu)化是將描述結(jié)構(gòu)中各處材料是否存在，單元是否存在的問(wèn)題，其設(shè)計(jì)變量為有限個(gè)，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法和準(zhǔn)則法，依據(jù)給定的準(zhǔn)則和約束條件，刪除部分區(qū)域內(nèi)的單元，形成帶孔的連續(xù)體，實(shí)現(xiàn)連續(xù)體的拓?fù)?/em>優(yōu)化。
3 拓?fù)?/em>優(yōu)化方法
目前常用的連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)?/em>優(yōu)化方法有：均勻化方法、變厚度法、變密度法等方法。每種方法都有其適合的應(yīng)用領(lǐng)域，而目前工程中應(yīng)用較廣泛的是變密度法。
變密度法是在均勻化方法的理論上深入研究而來(lái)的，屬于材料屬性的描述方法。
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連續(xù)體結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力拓?fù)?/em>優(yōu)化 Part1
關(guān)鍵詞 連續(xù)體結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化；靜響應(yīng)約束；頻率約束；動(dòng)響應(yīng)約束
彭細(xì)榮 連續(xù)體結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力拓?fù)?/em>優(yōu)化.part1.rar
彭細(xì)榮 連續(xù)體結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力拓?fù)?/em>優(yōu)化.part2.rar
基于3d打印結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化的四旋翼無(wú)人機(jī)
基于3D打印結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化的四旋翼無(wú)人機(jī)
摘要
四旋翼無(wú)人機(jī)因具備垂直起降，自由懸停，體積小，用途多樣且成本低等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。目前制約四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素之一就是其續(xù)航時(shí)間較短，載重小。現(xiàn)階段工業(yè)制造中普遍通過(guò)提升動(dòng)力的方法來(lái)延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，而對(duì)于機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究較少。本文將結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)結(jié)合在一起，對(duì)四旋翼的機(jī)架部分進(jìn)行拓?fù)?/em>優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了四旋翼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化減重設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值分析的方法，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析和固有模態(tài)分析。并通過(guò)增材技術(shù)完成優(yōu)化后機(jī)架的制作，對(duì)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。該研究為四旋翼的輕量化設(shè)計(jì)及延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間提供了一種新的思路。
關(guān)鍵詞：四旋翼無(wú)人機(jī)，拓?fù)?/em>優(yōu)化，增材技術(shù)
目錄
摘要 1
一、緒論
（一）選題背景及研究意義
（二）國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
（三）本文研究?jī)?nèi)容及目的
二、無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)及初始模型建立
（一）機(jī)架材質(zhì)及構(gòu)型選擇
1、機(jī)架材質(zhì)選擇
2、初始構(gòu)型確定
（二）動(dòng)力及飛控系統(tǒng)選擇
1、動(dòng)力系統(tǒng)
2、飛控系統(tǒng)
（三）仿真分析
1、四旋翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化工況分析
2、模型仿真分析
三、結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化及仿真分析
（一）結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化及優(yōu)化模型確定
1、模型1拓?fù)?/em>優(yōu)化分析
2、模型2拓?fù)?/em>優(yōu)化分析
（二）優(yōu)化結(jié)構(gòu)重構(gòu)
（三）拓?fù)?/em>優(yōu)化結(jié)構(gòu)靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析
四、應(yīng)用前景分析
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
一、緒論
（一）選題背景及研究意義
近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是多旋翼無(wú)人機(jī)，在面向中小型飛行應(yīng)用領(lǐng)域，多旋翼無(wú)人機(jī)相比固定翼和直升機(jī)具有很多優(yōu)勢(shì)，如尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等。
展開 拓?fù)?/em>優(yōu)化技術(shù)在航天航空結(jié)構(gòu)增材制造設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
本文列舉飛機(jī)控制面板的開放性設(shè)計(jì)案例用于說(shuō)明拓?fù)?/em>優(yōu)化在增材制造設(shè)計(jì)中的分析應(yīng)用，在面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，仿真優(yōu)化是核心技術(shù)。
本案例先是基于拓?fù)?/em>優(yōu)化分析得到輕量化的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，再結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，即拓?fù)?/em>優(yōu)化開始，遵循拓?fù)?/em>優(yōu)化-后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化-設(shè)計(jì)驗(yàn)證的流程完成了飛機(jī)控制面的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，圖1是設(shè)計(jì)流程圖。
圖1 設(shè)計(jì)流程圖
設(shè)計(jì)對(duì)象及要求
飛機(jī)控制面板原設(shè)計(jì)如圖2所示，結(jié)構(gòu)蒙皮上側(cè)為不可設(shè)計(jì)域，以保持結(jié)構(gòu)外形完整性；結(jié)構(gòu)接頭為不可設(shè)計(jì)域，以確保裝配要求。結(jié)構(gòu)其余部位為可設(shè)計(jì)區(qū)域。
從左至右依次在接頭孔內(nèi)表面施加約束，接頭1約束X、Y方向位移，接頭2約束X、Y、Z方向位移，接頭3約束X、Z方向位移，接頭4約束X、Z方向位移，接頭5約束X、Z方向位移，接頭6約束X方向位移。結(jié)構(gòu)在蒙皮上側(cè)施加20000Pa的均布載荷，方向垂直于表面向下。
圖2 飛機(jī)控制面板原設(shè)計(jì)方案
材料為鋁合金，材料屬性見表1。在滿足性能的前提下，可選擇任意輕量化設(shè)計(jì)方法，包括但不限于：拓?fù)?/em>優(yōu)化、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)。
表1 鋁合金性能
拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)
拓?fù)?/em>優(yōu)化基于已知的設(shè)計(jì)空間和工況條件以及設(shè)計(jì)約束，確定剛度最大、質(zhì)量最小的設(shè)計(jì)方案。它通過(guò)計(jì)算材料內(nèi)的最佳傳力路徑，最終獲得具有最佳材料分布的優(yōu)化結(jié)果。拓?fù)?/em>優(yōu)化革新了傳統(tǒng)的功能驅(qū)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)了性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)模式。
在概念設(shè)計(jì)階段，可以打破設(shè)計(jì)工程師的思維局限，大大提高設(shè)計(jì)工程師的工作效率。
展開 Tosca拓?fù)?/em>結(jié)構(gòu)優(yōu)化的詳細(xì)步驟
本文以一個(gè)控制臂為例，詳細(xì)介紹了TOSCA結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化的步驟。
前處理
(1)運(yùn)行tosca 結(jié)構(gòu)前處理器：Tosca Structure.pre | Tree
（2） 加載模型輸入文件：Tosca Structure.pre | FEM_INPUT
（3） 定義設(shè)計(jì)區(qū)域：Tosca Structure.pre | DV_TOPO
（4） 定義優(yōu)化的約束：Tosca Structure.pre | DVCON_TOPO | Cast
（5） 定義需提取的結(jié)構(gòu)響應(yīng)：Tosca Structure.pre | DRESP
（6） 定義優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：Tosca Structure.pre | OBJ_FUNC | Minimize
（7） 指定約束（這里指定體積不超過(guò)原始體積的70%）：Tosca Structure.pre | CONSTRAINT
（8） 定義優(yōu)化任務(wù)：Tosca Structure.pre | OPTIMIZE
（9） 保存TOSCA結(jié)構(gòu)參數(shù)文件：Tosca Structure.pre | FILE |Save As
運(yùn)行優(yōu)化（10） 運(yùn)行TOSCA優(yōu)化：Start Tosca Structure |Start TOSCA
后處理（11） 生成結(jié)果報(bào)告文件：Tosca Structure.report | Generate Report
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的詳細(xì)步驟.pdf
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拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真abaqus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化 結(jié)構(gòu)仿真水工結(jié)構(gòu) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)拓?fù)滠嚐艚Y(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化汽車拓?fù)鋬?yōu)化汽車拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)例結(jié)構(gòu)仿結(jié)構(gòu)拓?fù)?/a>拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
