题目：基于MSC.PATRAN/NASTRAN的结构拓扑优化系统开发

航天器结构日趋复杂化和大型化，同时又必须满足轻量化要求，为结构优化技术带来新的挑战。连续体结构拓扑优化是结构优化中的难点和热点问题，也是结构优化领域的前沿课题之一。本文以连续体结构拓扑优化为研究对象，分别就提高优化效率和结果清晰度两个问题研究了连续体结构拓扑优化的方法与程序实现策略，在此基础上开发了可应用于航天器设计的结构拓扑优化系统。密度法SIMP是目前应用最多的连续体结构拓扑优化方法。为提高SIMP优化效率，本文应用二级多点逼近优化算法进行拓扑优化计算，建立了以减重为目标、考虑位移和频率约束的优化模型。在每一个计算周期中，原拓扑优化问题先转化为具有较高精度的第一级多点近似问题，再通过可由对偶法快速求解的第二级近似问题逼近。将通用有限元程序NASTRAN作为结构分析模块，在PATRAN上实现了基于该算法的拓扑优化流程。典型数值算例证明了算法的高效性和正确性。SIMP具有优化效率高、结果准确等优点，同时也存在结果不清晰的缺陷。为了解决这一问题，本文提出一种结合密度法SIMP和双向渐进结构优化法BESO的二阶段拓扑优化方法。第一阶段，即初步优化阶段，使用SIMP进行拓扑优化；第二阶段，即BESO阶段，使用BESO对SIMP结果进行检验和完善。通过PCL编程实现了二阶段拓扑优化方法。典型数值算例证明了方法的可行性。在上述研究基础上，本文通过PCL编程开发了基于MSC.PATRAN/NASTRAN的结构拓扑优化系统。该系统主要采用基于二级多点逼近的SIMP拓扑优化方法，适用于求解位移、频率约束拓扑优化问题。为了使系统功能更加完整，增加了基于优化准则法的SIMP和基于满应力法的BESO，从而可以解决应变能最小化问题和应力约束重量最小化拓扑优化问题。将所开发系统应用于卫星结构优化设计，得到了合理的拓扑构形，证明本系统具有实际工程意义。