考虑表面层厚度不确定的稳健性拓扑优化方法1)

李 冉 刘书田

(大连理工大学工程力学系,工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连 116024)

引言

拓扑优化[1]是一种基于给定载荷和约束,在特定的域内寻找结构最优传力路径及材料分布的设计方法,具有不依赖于初始构型、设计自由度高及性能驱动的特点,已成为结构与材料创新设计的重要工具[2-5].但由于几何构型较复杂,采用传统的制造工艺往往加工困难.增材制造技术[6-9]是一种通过逐点打印、逐层累积材料来制备结构的新兴技术,可实现高度复杂结构的制备.将拓扑优化方法与增材制造技术相融合,在实现拓扑优化设计价值最大化的同时,还可以充分发挥增材制造的制造潜力,是目前研究的重要趋势[10-11].

但由于制造方式、加工过程及环境、设备和操作等因素的影响,通过增材制造成型的结构件易出现制造缺陷[12-14].制造缺陷使得结构件成型精度降低、表面粗糙度大,进而导致结构件表面材料分布不均匀,引起表面层异质[15].表面层异质会带来结构表面材料属性的不确定性和表面层厚度的不确定性,致使结构性能偏离设计、达不到预期目标.然而,当前大多数拓扑优化方法的研究是基于确定性的参数开展,忽略了不确定因素对结构性能的影响,导致优化后的构型不一定是最优的或者不符合实际,严重影响结构的安全性.因此在拓扑优化设计中,考虑不确定因素对结构构型的影响是十分重要的.

一般来说,考虑不确定……