复杂非均质功能构件的个性化定制方法及软件实现-仪器科学与技术专业论文.docxVIP

河北 河北工业大学硕士学位论文 复杂 复杂非均质功能构件的个性化定制方法及软件实现 i i PAGE PAGE iv 复杂非均质功能构件的个性化定制方法及软件实现 摘 要 非均质材料是由两种或两种以上材料组成，在几何和拓扑关系不变的情况下通过改变 材料组份分布来使材料性能达到最佳。传统复合材料存在明显的界面，各相的热膨胀系数 和热应力差别很大，会出现龟裂等现象，而且材料分布比较单一。非均质功能构件不仅能 够满足重要的功能需求，它还融合了每种材料不同的物理特性于一个实体，另外，非均质 功能构件还解决了传统构件中材料不相容的问题，像应力集中、热应力膨胀等。因此，本 课题对复杂非均质功能构件的个性化定制方法及软件实现进行了研究，取得了以下成果： （1）提出了一种非均质功能构件的优化设计方法，在不改变几何和拓扑关系的情况 下，合理改变材料的组份分布来改变构件的热应力分布，最后通过 ANSYS 的拓扑优化程 序来实现非均质材料的优化设计。 （2）完成了对 ANSYS 的拓扑优化模块的二次开发。利用 ANSYS 的参数化设计语言 APDL 编写优化算法，拓展了 ANSYS 的拓扑优化功能，二次开发得到的优化程序适用于 各种连续体单元。 （3）实现了 VC++6.0 对 ANSYS 的二次开发，用户只需输入自己所需的物理性能参 数，系统就能自动调用 ANSYS 计算程序，自动进行网格划分、加载载荷以及自动求解。 用户输入计算参数，即可调用后台的 ANSYS 命令进行计算，ANSYS 把计算结果返回给用 户，进行后处理。 （4）利用 ANSYS 的参数化设计语言 APDL 编写程序和优化算法，实现了三维飞轮实 体的参数化建模和非均质飞轮的优化设计，并实现了非均质飞轮材料组份分布的可视化， 优化结果证明此方法的可行性。 关键词：非均质材料，ANSYS，APDL，拓扑优化 CUSTOMIZATION AND SOFTWARE IMPLEMENTATION OF COMPLEX HETEROGENEOUS FUNCTIONAL COMPONENTS ABSTRACT Heterogeneous material (HM) is made of two or several materials, the optimal properties can be obtained by changing the materials distribution without changing the geometrical topology. Obvious interface exists in the traditional composite materials, so the thermal expansion coefficient and thermal stress of each phase are different greatly, resulting in cracking, and prescribed material distributes. Heterogeneous functional component (HFC) can fulfill the critical functional requirements since they can synthesize different properties and various advantages of multiple materials into one monolithic component. In addition, heterogeneous objects can resolve material incompatibility in traditional material such as stress concentration, thermal expansion and so on. Therefore the focus will be placed on customization and software implementation of complex heterogeneous functional components. The contributions may be summarized as follows: Firstly, a materials distribution based method of optimal design for heterogeneous functional components is presented, which means that the thermal stres