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研究生:林德威
研究生(外文):De-Wei Lin
論文名稱:拓樸最佳化法於結構碰撞之應用
論文名稱(外文):Applications of Topology Optimization on Structure Impact
指導教授:鄭志鈞
指導教授(外文):C. C. Cheng
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:機械工程所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:效能指標內隱式數值阻尼外顯式防撞性設計拓樸最佳化
外文關鍵詞:Performance indexImplicitNumerical dampingExplicitCrashworthiness designTopology optimization
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本文主要是結合拓樸最佳化及防撞性設計的概念,將其應用於結構動態的設計技術,其中,以有限元素軟體ANSYS/LS-DYNA為結構分析工具,並採用差值進化演算法來進行最佳化分析,再以福傳程式將上述做一整合成一結構防撞性設計工具。本文在第一部份中,採用簡易桁架為模型,將其模擬成車輛引擎室位置下面的底盤結構,並將車輛後半部結構簡化,以集中質量塊表示,此處也為防撞目標值的量測點,而最佳化目的在於判定結構防撞拓樸,用以降低此量測點上之加速度響應,並探討碰撞過程中,不同結構拓樸對加速度值的大小變化有何影響;另外,在結構分析的部份,分別以外顯式及內隱式時間積分法進行分析,探討考慮數值阻尼效應時,其數值結果及最終拓樸圖形上的差異性。在第二部份中,是將以防撞之概念應用於筆記型電腦顯示器的掉落防撞設計上,把桁架結構加入顯示器內層做為吸振層,並應用機械阻抗及能量流的觀念,探討此吸振層的設計技術,以最小化面板上於顯示器接觸地面時的最大應力為目標函數,並以效能指標的觀念進行最佳化,期以獲得防撞設計的拓樸圖形。
The thesis focuses on developing a design tool based on the topology optimization and crashworthiness design techniques. This tool integrates three modules, the finite element software ANSYS/LS-DYNA is used as the structural analysis tool, the optimization module based on differential evolution method and a topology module. For realization of this design tool, a simple truss that simulates part of the chassis under the engine compartment of a vehicle and a concentrated mass that conceptually represents a passenger were used in the analysis of vehicle crashworthiness. The objective is to determine the truss topology that minimizes the maximal acceleration of the concentrated mass during the collision period. Two different approaches in calculating the acceleration during the collision period, explicit and implicit, were investigated respectively in order to study the influences caused by the numerical damping on the final truss topology. Based on the same concept, in the second example, a shock absorber was designed to be installed in a notebook monitor in order to increase monitor shock resistance. The objective is to minimize the maximal panel stress with a shock absorber of a minimal weight. In both examples, the design tool based on the topology optimization and crashworthiness design techniques proves to be efficient and useful.
目 錄
表目錄 III
圖目錄 V
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 2
1-3 文獻回顧 2
1-3-1 連續體結構 3
1-3-2 離散體結構 6
1-4 文獻回顧總結 7
1-5 研究方法 8
第二章 拓樸最佳化設計 11
2-1 拓樸最佳化與防撞性設計概述 11
2-1-1 拓樸最佳化 11
2-1-2 防撞性設計 13
2-2 差值進化演算法 14
2-2-1 初始族群 17
2-2-2 突變運算子 17
2-2-3 交配運算子 19
2-3 有限元素軟體ANSYS/LS-DYNA簡介 19
2-3-1 基本觀念 20
2-3-2 時間積分 21
第三章 桁架結構碰撞之拓樸最佳化 27
3-1 模型及問題定義 27
3-1-1 桿件移除準則 29
3-2 拓樸最佳化後之結果 30
3-2-1 使用外顯式積分法求解 31
3-2-2 使用內隱式積分法求解 37
3-2-3 結果比較與討論 48
第四章 拓樸最佳化桁架結構於防撞設計上之應用 51
4-1 顯示器掉落碰撞模擬分析 53
4-1-1 材料性質選擇之依據 54
4-1-2 吸振層之效果 60
4-2 顯示器掉落碰撞拓樸最佳化 63
第五章 結論與未來展望 71
5-1 結論 71
5-2 未來展望 72
參考文獻 73
表 目 錄
表3-1 ANSYS參數設定[10] 29
表3-2 DE參數設定 29
表3-3 最佳化前後目標值之比較-外顯式積分求解 49
表3-4 最佳化前後目標值之比較-內隱式積分求解 50
表3-5 最佳化前後桁架重量之比較 50
表4-1 相關材料參數設定 60
表4-2 DE參數設定 63
表4-3 加入吸振層前後之相關數據比較 69
表4-4 最佳化前後面板上最大應力值之比較 69
表4-5 最佳化前後吸振層重量之比較 70
圖 目 錄
圖1-1 均質化法孔洞細胞[2] 4
圖1-2 設計領域材料分佈[2] 4
圖1-3 連續體結構 7
圖1-4 桁架結構 7
圖1-5 系統整合方式 9
圖2-1 初始桁架 12
圖2-2 尺寸最佳化 12
圖2-3 初始懸臂板 13
圖2-4 形狀最佳化 13
圖2-5 初始懸臂板 13
圖2-6 拓樸最佳化 13
圖2-7 撞擊區示意圖 14
圖2-8 差值進化演算法程式運算流程圖 16
圖2-9 族群說明圖 17
圖2-10 突變策略一[13] 18
圖2-11 突變策略二[13] 18
圖3-1 簡易桁架模型[10] 27
圖3-2 桿件等級示意圖 30
圖3-3 使用初始結構時速度及加速度隨壓縮距離之變化 31
圖3-4 最佳化後結構桿件之分佈情形 32
圖3-5 位移、速度及加速度隨時間之變化 32
圖3-6 加速度隨時間之變化 33
圖3-7 保留等級1時速度及加速度隨壓縮距離之變化 35
圖3-8 移除等級1時速度及加速度隨壓縮距離之變化 36
圖3-9 最佳化後結構隨時間之變形過程 37
圖3-10 使用初始結構時加速度隨時間之變化 38
圖3-11 使用初始結構時速度及加速度隨壓縮距離之變化 39
圖3-12 最佳化後結構桿件之分佈情形 40
圖3-13 位移、速度及加速度隨時間之變化 40
圖3-14 保留等級1時速度及加速度隨壓縮距離之變化 41
圖3-15 移除等級1時速度及加速度隨壓縮距離之變化 42
圖3-16 最佳化後結構隨時間之變形過程 43
圖3-17 使用初始結構時速度及加速度隨壓縮距離之變化 44
圖3-18 最佳化後結構桿件之分佈情形 45
圖3-19 位移、速度及加速度隨時間之變化 45
圖3-20 保留等級1時速度及加速度隨壓縮距離之變化 46
圖3-21 移除等級1時速度及加速度隨壓縮距離之變化 47
圖3-22 最佳化後結構隨時間之變形過程 48
圖4-1 顯示器模型尺寸三視圖 52
圖4-2 吸振層與外殼之接點位置 52
圖4-3 吸振層加入位置側視圖 53
圖4-4 共點位置示意圖 55
圖4-5 機械系統 55
圖4-6 運動性電路系統 56
圖4-7 顯示器有限元素模型 61
圖4-8 顯示器接觸地面時面板上應力之分佈情形 62
圖4-9 吸振層結構之拓樸圖形-第30世代 65
圖4-10 面板上應力之分佈情形-第30世代 65
圖4-11 正規化吸振層重量與正規化面板上最大應力之關係變化 67
圖4-12 效能指標值隨迭代次數(世代數)變化之情形 67
圖4-13 吸振層結構之拓樸圖形-第23世代 68
圖4-14 面板上應力之分佈情形-第23世代 69
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