薄壁加筋结构拓扑优化设计

刘思敏

摘 要：薄壁结构拥有良好的可塑造性和可设计性，在航空航天领域应用广泛。工程设计中通常给薄壁结构加筋来提高结构的刚度，文章考虑到该方法在结构设计中受经验影响而具有一定的随意性，提出了一种基于OptiStruct的拓扑优化方法来指导薄壁结构的筋条布局。通过给定薄板基础厚度和设置沿筋条高度扩展的设计空间，得到材料增强轨迹的分布结果，进而指导薄壁结构的加筋布局设计。采用这种方法对几种结构进行了优化设计，数值分析结果表明该方法能获得合理的筋条布局。

关键词：薄壁结构;加筋布局;拓扑优化

中图分类号：TH11;TB125 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）02-098-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.045

薄壁结构重量轻，可设计性强，制造性好，主要传递面内拉伸、压缩和剪切载荷为主的面内力。由于筋条的类型、布置、材料以及尺寸参数都具有很强的可设计性和优化空间，所以对结构的重量和力学性能有着重要的决定意义。

结构拓扑优化是在特定的受力形式下和特定的设计空间内找寻最优的传力路径，充分利用材料性能，获得最优的刚度分配。自从Michell桁架理论提出拓扑优化概念，发展至今已形成很多方法，变密度法由于高效的运算效率已经被广泛集成到商业软件优化模块中，在各类结构拓扑优化问题中体现出了其价值。

基于拓扑优化理论实现薄壁结构加筋布局的研究，在国内外已开展多年且取得了不错的进展。Lam Y C[1]基于变厚度法得到了板壳结构的加筋布局，丁晓红[2]等基于叶片脉络等仿生学原理，提出了一种筋条沿整体刚度最大的方向生长的自适应成长设计法。……