几何特征演化驱动的多胞结构拓扑优化设计

本书涵盖内容广，是近几年拓扑优化设计领域关注的热点与难点，本书系统研究多功能结构复杂几何构形的成形。目前在市场上还未见从设计层面兼顾制造的多功能结构设计制造一体化方面的书籍。

本书共有八章，分别为引言、制造工艺约束、微观结构设计、宏观结构设计、宏微结构一体化设计、面向增材制造的结构跨尺度设计、结构智能设计方法和设计平台构建。全书详细介绍增材制造约束及其在结构优化设计中的参数处理方法，研究微观结构等效模型构建方法，探讨给予传统拓扑优化方法进行宏微观结构一体化设计方法，在此基础上引入制造约束，研究增材制造约束下的多功能结构设计方法，并建立通用设计平台。*后，给出所有相关的优化设计代码。

吴紫俊，男，博士，副教授、硕士研究生导师。毕业于华中科技大学机械科学与工程学院，现就职于武汉纺织大学机械工程与自动化学院。主讲增材制技术课程。主持国家自然科学基金面上项目1项、湖北省教育厅重点项目1项、横向课题4项、教研项目2项。累计发表SCI、EI等文章20余篇，国家发明专利3项（授权1项）。

1绪论(1)1.1多胞结构拓扑结构设计及其复杂性(1)1.2多胞结构研究进展及其分析(3)1.2.1结构设计方法(4)1.2.2基于几何特征的结构设计(6)1.2.3考虑制造的多胞结构设计(7)1.3多胞结构优化设计的典型应用(8)1.3.1航空航天领域的应用(9)1.3.2医疗领域的应用(10)1.3.3车辆设计领域的应用(11)1.3.4其他应用(13)1.4问题分析(15)1.5多胞结构研究前景(16)参考文献(17)2几何参数驱动的单胞结构设计(29)2.1概述(29)2.2基本单元(33)2.2.1杆单元(33)2.2.2梁单元(34)2.2.3矩形单元(37)2.2.4六面体单元(39)2.3单胞设计方法(41)2.3.1均匀化方法(42)2.3.2超单元法(44)2.3.3自由度缩减(46)2.4单胞结构设计(48)2.4.1基于均匀化方法的单胞结构设计(48)2.4.2基于子结构的单胞设计(49)2.5本章小结(50)参考文献(50)3基于单胞的优化代理模型(53)3.1结构优化代理方法概述(53)3.2几何参数下的单胞密度映射(56)3.3基于弥散插值方法的力学矩阵重构(57)3.4基于分段样条插值方法的矩阵重构(59)3.5惩罚因子(61)3.6单胞优化代理模型(61)3.7数值算例(63)3.7.1单胞样本构建(63)3.7.2基于弥散插值的代理模型精度分析(64)3.7.3基于分段样条插值的计算精度(67)3.8本章小结(71)参考文献(71)几何特征演化驱动的多胞结构拓扑优化设计目录4单胞数据驱动的结构拓扑优化方法(75)4.1数据驱动的多胞结构设计概述(75)4.2设计变量与单胞矩阵(78)4.3多胞结构优化模型(80)4.4变量更新方法(81)4.5单胞数据驱动的结构优化方法(83)4.6优化实例(84)4.6.1优化代理模型计算精度(84)4.6.2二维悬臂梁结构设计(89)4.6.3三维简支梁结构设计(91)4.6.4三维悬臂梁设计(93)4.7本章小结(95)参考文献(95)5多胞结构的频率响应性能设计方法(99)5.1引言(99)5.2单胞结构力学矩阵重构(102)5.3单胞优化模型构建(104)5.4多胞结构频率响应设计优化模型(105)5.5灵敏度分析(106)5.6单胞优化代理模型构建与分析(107)5.7优化计算实例(115)5.7.1两端固定梁的频率设计(115)5.7.2悬臂梁结构设计(118)5.7.3三维支撑块结构的频率设计(121)5.8本章小结(124)参考文献(124)6周期性多胞结构拓扑设计优化方法(128)6.1周期性结构设计概述(128)6.2子结构凝聚与反求(132)6.3周期性多胞结构优化模型(132)6.3.1宏观结构优化模型(133)6.3.2周期性单胞构型设计模型(133)6.4灵敏度分析(134)6.5周期性多胞结构的设计方法(135)6.6优化实例(136)6.6.1悬臂梁结构设计(136)6.6.2双端固支梁结构设计(139)6.7本章小结(143)参考文献(143)7杆单胞驱动的多胞结构设计(147)7.1引言(147)7.2考虑空间位姿的杆单元重构(149)7.3基于杆单元的单胞结构设计模型(150)7.4基于杆单元的连接矩阵(153)7.5杆单胞驱动的多胞结构设计(154)7.5.1优化模型定义(154)7.5.2灵敏度分析(156)7.6杆单胞构建(156)7.6.1杆单胞修正(156)7.6.2杆单胞自支撑性构建(158)7.7优化实例(162)7.7.1二维悬臂梁设计(162)7.7.2三维支架设计(166)7.8本章小结(168)参考文献(169)8自定义单胞的约束阻尼结构设计(174)8.1引言(174)8.2约束阻尼的有限元基础知识(177)8.3自定义单胞的优化代理模型(180)8.4约束阻尼结构的设计(185)8.4.1基于SIMP方法的阻尼结构设计(185)8.4.2基于RAMP方法的阻尼结构设计(186)8.5计算实例(187)8.5.1优化代理模型的计算精度分析(188)8.5.2悬臂梁设计(192)8.5.3OC方法与MMA的对比(196)8.5.4结构性能试验(199)8.6本章小结(202)参考文献(202)