基于拓扑描述函数的连续体结构拓扑优化方法

提出了一种利用拓扑描述函数(TDF)作为拓扑设计变量求解连续体结构拓扑优化问题 的新方法. 优化问题的目标函数是结构的整体柔顺性，约束条件为对于可利用材料的体积限 制. 这种方法不仅可以消除拓扑优化中经常出现的棋盘格式等数值不稳定现象，而且能够有 效地抑制传统算法处理此类优化问题时所引发的边界扩散效应. 与其它的基于水平集描述函 数的拓扑优化方法相比，所提出的算法不仅无需求解控制水平集函数演化的双曲守恒方 程，而且合理地考虑了目标函数的拓扑导数信息，因而使得算法的计算效率有了显著的提高.     

基于拓扑描述函数的特定性能材料设计方法

研究了拓扑描述函数在材料设计中的应用,给出了一种基于拓扑描述函数的特定性能材料设计问题的提法和求解方法.将拓扑描述函数表示成含参数的基函数之和,将材料微结构拓扑优化问题转化为设计基函数描述参数的尺寸优化问题,使问题求解更方便.基于拓扑描述函数的方法可以准确确定设计域上任意点的材料分布,避免了变密度法常出现的棋盘效应、设计变量和有限元单元相关的缺点;与传统的水平集方法相比,其优化模型可以利用现有的优化方法求解,避免了差分法求偏微分方程.具有正泊松比和负泊松比的特定弹性性能材料的设计算例,说明了基于拓扑描述函数的材料设计方法的有效性.     

基于改进水平集结构拓扑优化方法的理论研究

通过水平集拓扑优化方法建立了以结构的刚度最大化为目标函数、以结构的体积为约束条件的优化问题数学模型;通过反应扩散方程来更新水平集函数,同时实现了结构的形状和拓扑优化。针对水平集拓扑优化方法在求解优化模型时出现的体积约束不收敛的问题,分析了问题产生的原因,提出了拉格朗日乘子的直接与间接控制方式来控制体积约束收敛的方法,并通过相关算例验证了两种方法的有效性。     

基于相场描述的拉压不对称强度结构拓扑优化

运用了基于相场描述的拓扑优化方法,来寻找在拉伸和压缩中表现出不对称强度行为的连续体结构的最优布局。依据Drucker-Prager屈服准则和幂率插值方案,优化问题可以描述为在局部应力约束下的最小化结构的体积。用qp放松法来解决应力约束的奇异性,并采用基于P-norm函数的聚合方法对应力约束进行凝聚,该方法实现了约束个数的降低,同时引入了稳定转化法来处理大量的局部应力约束和高度非线性的应力行为,以修正应力,提高优化收敛的稳定性。在优化问题求解时,使用拉格朗日乘子法对目标函数和应力约束进行处理。利用伴随变量法进行灵敏度分析,并通过求解Allen-Cahn方程更新相场函数设计变量。数值算例证明了该优化模型和相应数值技术的有效性,相关算例还揭示了考虑拉压不同强度和考虑同拉压强度约束时得到的结构优化拓扑构型具有显著的差异。     

基于敏度分析的拉压不同模量桁架问题的数值分析

利用光滑函数技术,提出光滑化的拉压不同弹性模量问题的应力应变关系,与有限元方法相结合,建立了拉压不同模量一维连续体与桁架结构的数值求解模型,推导了敏度计算公式,采用Newton-Raphson算法进行求解.数值结果表明,本文算法具有较高的计算精度和收敛速度.     

关于采用高阶Boussinesq方程求解波浪散射问题的注记

本文讨论了采用高阶Boussinesq方程模拟波浪散射时对基本速度变量位置的局部光滑处理方法。通过光滑局部基本速度变量的取值深度,减小其高阶导数项的量值、加快级数收敛速度进而改善模型方程求解深水波浪散射问题的能力。对于底部边界具有一阶导数不连续的情况,通过局部光滑．可以将基本速度变量取值深度尖角转化为圆角过渡,从而改善速度分布。对于其它任意变化的底部边界,为了减少高阶底坡导数项的影响,在曲率和高阶底坡导数项与斜率具有相同量级的情况下亦需要对基本速度变量的取值深度局部光滑。数值计算结果表明本文提出的光滑技术可以很好地改善Boussinesq方程模拟浅水波和深水波在斜坡地形上散射问题的能力。     

基于双向演化的局部水平集组合算法用于拓扑优化

本文基于双向渐进结构优化(BESO)方法和局部水平集方法(LLSM),提出局部水平集组合算法,在拓扑优化中实现双向演化。为改进LLSM的孔洞成核能力,新算法以所提离散水平集函数为节点设计变量,拓扑导数为灵敏度,按照BESO优化准则进行双向演化得到稳定拓扑解。然后通过迭代求解距离正则化方程(DRE)来组合LLSM获得最终拓扑。在LLSM中,DRE用来代替重生成步骤,并构造条件稳定差分格式求解DRE。最终给出典型实例验证所提算法的收敛性和数值稳定性。     

基于拓扑描述函数的特定性能复合材料设计

提出了一种基于拓扑描述函数进行特定性能复合材料设计的新方法. 采用拓扑描 述函数作为设计变量,把复合材料微结构的设计问题转化为一个在周期性单胞上的拓扑优 化问题. 拓扑描述函数以及相应正则化机制的引入不仅可以有效消除棋盘格式等数值不稳定 现象,而且能够有效地抑制传统算法处理此类优化问题时所引发的边界扩散效应. 数值结果 表明所提出的方法可以稳定高效地实现具有特定性能的复合材料微结构设计.     

一种改进的结构拓扑优化水平集方法

针对有限的结构设计区域,界面力的大小和作用的位置以及部分给定位移的结构边界始终保持不变的要求,为了解决基于水平集方法的结构边界演化停滞等问题,导出了基于水平集演化的结构拓扑优化所需的法向速度场.研究了由该法向速度场导出的序列解的收敛特性,并建立了一套新的结构柔顺度为目标函数,体积为约束条件的水平集演化算法,给出的算例验证了该方法的正确性和有效性.     

基于水平集方法的均布式柔性机构的拓扑优化设计

提出一种利用水平集方法进行均布武柔性机构设计的新方法.根据水平集边界表达方法中具有几何信息的特点,将图像分析中的二次能量函数引入到水平集模型中,以控制柔性机构拓扑优化设计结果的几何尺寸,得到等宽带状均布的柔性机构,较好地解决了传统柔性机构拓扑优化中容易出现单点铰链问题.应用半隐式的加性分裂算子(AOS)算法求解水平集方程,松弛了逆风格式中CFL(Courant-Frie drichs-Lewy)条件对时间步长的限制,提高了求解效率.通过一个典型的二维算例来验证方法的有效性.     

Numerical simulation of ground water flow via a new approach to the local radial point interpolation meshless method

A novel approach to local radial point interpolation meshless (LRPIM) method is introduced to investigate the influence of leakage on tidal response in a coastal leaky confined aquifer system, based on a local weighted residual method with the Heaviside step function as the weighting function over a local sub-domain. The present approach is a truly meshless method based only on a number of randomly located nodes. In this approach, neither global background integration mesh nor domain integration is needed. Radial basis functions (RBFs) interpolation is employed in shape function and its derivatives construction for evaluating the local weak form integrals. Due to satisfaction of kronecker delta property in RBF interpolation, no special treatment is needed to impose the essential boundary conditions. In order to obtain the optimum parameters, shape parameters of multiquadrics (MQ)-RBF are tuned and studied. The leakage has a significant impact on the tidal behaviour of the confined aquifer. The numerical results of this research indicate that both tidal amplitude of groundwater head in the aquifer and the distance over which the aquifer can be disturbed by the tide are considerably reduced by leakage. The novelty of the approach is the use of a local Heaviside weight function in the LRPIM which does not need local domain integration and only integrations on the boundary of the local domains are needed. Therefore, in this research a new local Heaviside weight function has been proposed. Numerical results are presented and compared with the results of analytical solution. It is observed that the obtained results agreed very well with the results of analytical solution. The numerical results show that the use of a local Heaviside weight function in the LRPIM is highly accurate, fast and robust. It is also noticed that this novel meshless approach using MQ radial basis is very stable.     

Local Heaviside‐weighted LRPIM meshless method and its application to two‐dimensional potential flows

In this paper, the local radial point interpolation meshless method (LRPIM) is used for the analysis of two‐dimensional potential flows, based on a local‐weighted residual method with the Heaviside step function as the weighting function over a local subdomain. Trial functions are constructed using radial basis functions. The present method is a truly meshless method based only on a number of randomly located nodes. Integration over the subdomains requires only a simple integration cell to obtain the solution. No element matrix assembly is required and no special treatment is needed to impose the essential boundary conditions. The novelty of the paper is the use of a local Heaviside weight function in the LRPIM, which does not need local domain integration and integrations only on the boundary of the local domains are needed. Effects of the sizes of local subdomain and interpolation domain on the performance of the present method are investigated. The behavior of shape parameters of multiquadrics has been systematically studied. Two numerical tests in groundwater and fluid flows are presented and compared with closed‐form solutions and finite element method. The results show that the use of a local Heaviside weight function in the LRPIM is highly accurate and possesses no numerical difficulties. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑时变刚度特性的复合材料微结构拓扑优化设计方法

理想的骨折内固定植入物在组织愈合或修复的过程中,其结构性能需要满足不同愈合阶段对生物力学的需求.提出一种对生物可降解复合材料微结构的时变刚度特性进行调控设计的拓扑优化方法,以达到理想的骨折内固定植入物特殊的时变刚度特性需求.使用具有不同降解速率和刚度的两种可降解材料,以相对密度作为设计变量来描述不同材料的分布,以特定降...     

考虑嵌入移动孔洞的多相材料布局优化

工程结构设计问题中经常需要预先嵌入一个或多个固定形状的孔洞以满足某些功能性或者制造性设计要求.为了有效求解这种带有嵌入可移动孔洞的多相材料连续体结构布局优化问题,通常需要同时优化这些嵌入孔洞的位置和方向及多相材料结构的拓扑构型,以改善结构的整体性能.为此,本文采用参数化的水平集函数描述嵌入孔洞的几何形状,并将定义多相材料结构拓扑的材料密度以及描述嵌入孔洞的位置和方向的几何参数视为所考虑优化问题的设计变量.为了避免由于孔洞移动造成的重新划分网格的繁琐及改善计算效率,使用平滑化的Heaviside函数将所有嵌入孔洞映射为固定网格上的密度场.同时,提出了一种在有限元水平上调用的类SIMP材料插值格式,用于优化问题的材料参数化,进而实现多相材料结构拓扑构型和嵌入孔洞位置和方向的同步优化.这种材料插值格式便于几何变量的解析灵敏度分析,使得当前的优化问题可以用基于梯度的优化算法求解.优化算例证明所提方法可以有效地处理带有多个嵌入孔洞的多相材料结构布局优化问题.      

无网格局部Petrov-Galerkin方法在弹塑性断裂力学问题中的应用

采用无网格局部Petroy-Galerkin方法来分析弹塑性断裂力学问题.这种无网格方法采用移动最小二乘法(MLS)来构造近似试函数和采用Heaviside函数作为加权残值法中的权函数,由于近似函数不满足KroneckerDelta条件,因此采用直接插值法来施加本质边界条件.如果不考虑体力,所形成的整体刚度矩阵只包含局部边界积分,而不包含局部域积分和奇异积分.采用增量Newton-Raphson迭代法来求解弹塑性增量形式的局部Petrov-Galerkin方程.数值算例结果表明,该文方法对于弹塑性断裂力学问题的求解是可行的和有效的,并且所得到的结果具有较好的精度.     

连续体结构屈曲约束的ICM方法拓扑优化

基于ICM(独立、连续、映射)方法解决具有屈曲约束的连续体拓扑优化问题。建立以结构重量为目标,以屈曲临界力为约束的拓扑优化模型;采用独立的连续拓扑变量,借助泰勒展式将目标函数作二阶近似展开;借助瑞利商、泰勒展式、过滤函数将约束化为近似显函数,避免了灵敏度的计算;将优化模型转化为对偶规划,并利用序列二次规划求解,减少了设计变量的数目,缩小了模型的求解规模。给出三个算例,结果表明:该方法可有效地解决屈曲约束的连续体拓扑优化问题,能够得到合理的拓扑结构,并有较高的计算效率。     

特定方向"零膨胀"的最小柔顺性结构优化设计

工程中很多承载结构必须面对苛刻的温度变化工作环境,如卫星天线、太空照相机和电子器件等。剧烈的温度变化引起较大的热变形,造成仪器信号失真,精度下降;同时温度应力也会造成结构破坏甚至失效,因此零膨胀材料的研制备受关注。近年来国内外很多学者对此进行了研究,设计出具有特定等效膨胀系数的微结构,但考虑到制备工艺的限制,这类具有复杂微结构的材料制备起来比较困难,成本较高;同时这类材料一般不具备足够的刚度,难以满足承载性能的要求。本文基于结构优化设计技术,采用拓扑优化方法直接设计出具备较高的承载性能和特定方向变形较少受热载荷影响的结构。本文提出采用多目标优化的方法设计圆环结构,使其具有较高的刚度和在热载荷下圆环内表面具有较好的热几何稳定性。由于用单相材料无法同时满足高刚度和低热膨胀的要求,因此假设结构由两种不同的材料构成,用连续体拓扑优化的方法设计三相材料(两种实体材料MAT-I、MAT-II和空材料)在设计域上的最优分布,使结构满足设计要求。由对称性,设计域取为圆环的一个扇面,将设计域离散成有限元网格,每个单元具有两个设计变量:实体材料的体分比和MAT-I在实体材料中所占的体分比,采用伴随法进行灵敏度分析,用GCMMA方法求解此问题,采用体积守恒的Heaviside密度过滤函数保证获得清晰的最优拓扑构型以及避免棋盘格式的出现。通过两个数值算例,表明使用本文提出的多目标优化模型能够得到特定方向"零膨胀"同时具有一定刚度的结构设计,且这种宏观结构尺度上的两种材料组成的拓扑构型相对易于制造。     

考虑表面层厚度不确定的稳健性拓扑优化方法

采用增材制造工艺制备结构件时, 较差的成型精度和表面粗糙度会导致结构表面层异质, 引起表面层厚度的不确定性. 为了研究不确定性对拓扑优化结构性能的影响, 进而获得对不确定性具有更低敏感性的结构构型, 提出了考虑结构表面层厚度不确定性的稳健性拓扑优化方法. 首先, 采用一种基于腐蚀操作的表面层识别技术, 通过基于Helmholtz偏微分方程的PDE光滑过滤和基于Heaviside过滤、tanh函数的离散映射两个过程实现表面层异质等效模型的建立. 其次, 将表面层厚度作为服从高斯分布的随机变量, 基于摄动有限元方法开展了不确定性传播的分析和系统随机响应的预测; 以结构柔顺性均值和标准差的加权和作为优化目标, 建立了考虑表面层厚度不确定性的拓扑优化模型, 并推导了目标函数关于设计变量的敏度. 最后, 通过数值算例验证了该方法的有效性. 数值结果表明, 在设计过程中考虑表面层厚度不确定性对结构性能的影响, 可以得到具有更强抵抗不确定性能力的结构构型, 有效提升了结构性能的稳健性.