连续体结构的拓扑优化设计

对基于有限元数值求解技术的连续体结构的拓扑优化设计技术进行了综述. 利用密度-刚度插值格式和优化准则方法, 以结构的柔度最小化作为优化的目标函数, 论述并建立线弹性结构的静力学拓扑优化设计的数学模型和设计变量显示的迭代格式; 基于数学规划方法中的一种凸规划方法----移动渐近线方法和密度方法, 以结构的频率最大化作为优化的目标函数, 论述并建立了特征值问题拓扑优化设计的数学模型和设计变量隐式的更新方法. 对多目标拓扑优化问题、柔性机构的拓扑优化问题以及多物理场拓扑优化设计问题进行了讨论. 对优化结构中出现的棋盘格式和网格依赖性等数值计算问题进行剖析和讨论, 介绍和分析了目前解决数值计算问题常见的方法, 在此基础上对边界扩散现象进行了讨论. 给出了连续体结构拓扑优化设计的程序流程, 并用Matlab程序实现了算法, 通过几个典型的算例证明所综述方法的有效性.     

无网格径向点插值法在拓扑优化中的应用

论文基于无网格径向点插值法(RPIM)对连续体结构进行拓扑优化设计.以高斯点的相对密度为设计变量,以结构的柔度最小化为目标函数,利用带惩罚的各向同性固体材料模型(SIMP)和优化准则法,建立了设计变量的迭代格式.利用灵敏度过滤技术有效地消除了点状棋盘格现象.给出了相应的计算流程,并用Fortran程序语言实现其算法.算例证明,应用无网格径向点插值法能够有效地对连续体结构进行拓扑优化设计.     

基于无网格数值求解技术的二维连续体结构拓扑优化设计

将无网格径向点插值法(RPIM)引入到连续体结构拓扑优化设计中。在优化问题中,选取节点的相对密度作为设计变量,以结构的柔度最小化作为目标函数,基于带惩罚的各向同性固体材料模型(SIMP)建立了结构拓扑优化的数学模型,推导了目标函数和体积约束的灵敏度,利用优化准则法进行求解。算例表明了应用无网格径向点插值法进行结构拓扑优化设计的可行性和有效性,同时表明选取节点的相对密度作为设计变量可以有效地克服拓扑优化中的棋盘格现象。     

载荷位置不确定条件下结构稳健性拓扑优化设计

研究了在载荷作用位置不确定条件下,连续体结构的稳健性拓扑优化设计,为外载荷的有效传递提供可靠的传力路径。首先基于非概率方法,将载荷位置的不确定性用区间变量表示。其次通过载荷移动的一阶和二阶导数信息,推导出载荷位置改变后结构柔顺度对拓扑设计变量的一阶导数公式。最后运用变密度法中的SIMP模型以及移动渐近线法(MMA),对连续体结构进行稳健性拓扑优化设计。所得结构与传统载荷位置确定条件下的优化结构相比,稳健性明显更高,充分展示了考虑载荷位置变化对结构拓扑构型设计的影响及其重要性。     

多工况下结构鲁棒性拓扑优化设计

针对工程中存在多个随机不确定工况载荷作用的情况, 将鲁棒性设计思想引入到连续体结构 拓扑优化设计, 发展和完善不确定性优化理论和计算方法. 基于概率模型和SIMP方法, 提出以结构柔顺度标准差最小化为目标、具有体积约束的连续体鲁棒性拓扑优化数学模型. 通过对目标函数及其灵敏度计算公式的推导, 采用数学规划法实现优化问题的求解. 数值算 例验证了所提优化模型的正确性及算法的有效性, 并通过与确定性优化结果的比较, 证明鲁棒性拓扑优化能够给出结构柔顺性变异更小的材料分布.     

载荷方向不确定条件下结构动态稳健性拓扑优化设计

采用一种高效的方法开展了在外载荷作用方向不确定条件下,连续体结构动态稳健性拓扑优化设计研究,有效降低了结构的稳态动响应对简谐激励作用方向随机扰动的敏感性.首先基于概率模型,将动载荷作用方向的不确定性用正态分布函数表示.其次通过二阶泰勒展开式,高效地计算出在激励方向扰动情形下结构动柔顺度的均值和方差,进而推导出了其对拓扑设计变量的一阶导数灵敏度显性表达式.最后在材料体积约束下,以动柔顺度概率特征指标的加权和为设计目标,基于变密度方法,对连续体结构进行动态稳健性拓扑优化设计,并与传统载荷方向固定条件下的确定性优化结果进行对比,充分展示了考虑外激励作用方向随机扰动对结构拓扑构型设计及其动柔顺度变化的影响.对优化数值结果进一步分析表明,采用文章提出的方法所得结构的动响应稳健性更高,能有效抵抗外激励作用方向的随机扰动.只需少许增加材料,稳健性优化设计的动响应将在整个载荷扰动区域内优于确定性优化结果.     

基于RAMP密度-刚度插值格式的结构拓扑优化

基于RAMP密度-刚度插值格式和优化准则（OC）方法，提出一种改进的拓扑优化设计的数学模型及设计变量的迭代格式。对棋盘格式和网格依赖性等数值计算问题进行了综述和研究，针对敏度过滤技术中存在的“边缘扩散”现象，提出了一种混合的过滤技术。给出了拓扑优化设计的程序流程，用FORTRAN程序实现了算法，通过几个经典算例证明了本文所研究方法的有效性。     

基于类桁架连续体的结构拓扑优化方法与应用

以各向异性连续体为基结构,采用类桁架连续体材料模型进行结构拓扑优化。以材料在结点位置的密度和方向作为优化设计变量,使材料在设计域内连续分布。并以此建立材料的弹性矩阵和刚度矩阵。优化过程没有抑制中间密度,这从根本上避免了许多拓扑优化方法普遍存在的单元铰接、棋盘格现象以及单元依赖性等数值不稳定问题。采用满应力准则法,借助有限元结构分析,经过少量迭代,建立优化的材料连续分布场,即类桁架连续体结构。由于首先建立的拓扑优化结构是各向异性连续体,从而得到更大优化空间。然后可以结合工程实际需要将其转化为离散的拓扑优化杆系结构。最后,以1个经典Michell桁架和3种形式的拱桥为数值算例,演示了其结构拓扑优化过程。     

考虑结构自重的基于NURBS插值的3D拓扑描述函数法

在许多如大坝、桥梁等大型土木工程结构中,结构的自重是初始设计阶段必须考虑的重要载荷之一,因此研究自重载荷作用下的结构拓扑优化设计问题具有十分重要的意义.针对考虑自重载荷作用的拓扑优化问题所面临的主要困难,总结了现有处理考虑自重载荷的拓扑优化问题的三类主要方法;提出一种基于非均匀有理B样条(non-uniform rational B-splines,NURBS)基函数插值的拓扑描述函数方法,基于此方法研究了考虑设计依赖自重载荷作用的2D/3D结构优化设计问题.在列式下,高阶NURBS基函数被同时用于三维NURBS实体片中的几何场、位移场及设计变量场插值,实现了几何模型、分析模型和优化模型的有效统一,确保了位移场及设计变量场的高阶连续性;详细推导了基于NURBS基函数插值的考虑自重载荷作用的三维结构拓扑优化模型及其灵敏度列式,并采用移动渐进线方法(method of moving asymptotes,MMA)进行了优化求解;多个算例验证了方法的有效性和稳定性,结果表明,优化迭代过程稳健,收敛快,能够有效地克服自重载荷作用下连续体结构拓扑优化中经常遇到的低密度区域材料的寄生效应及目标函数的非单调性等问题.     

基于热固耦合问题的多尺度拓扑优化设计

基于均质材料的拓扑优化逐渐难以适应现代化生产对工业产品高品质、轻量化的需求,同时很多工业设备经常面临着高温和高负载的工作环境.为了提高结构在温度载荷和机械载荷共同作用下的力学性能,本文提出了一种在稳态热源作用下的热固耦合连续体结构并行化拓扑优化方法.以结构刚度作为目标函数,材料的体分比为约束,利用能量均匀化方法预测微结构的等效属性,建立热固耦合结构并行化拓扑优化数学模型.为便于数值计算,利用直接法进行灵敏度分析,同时采用Heaviside非线性密度过滤技术抑制数值不稳定性,将OC准则算法用于求解优化问题.数值算例表明,本文方法能够有效地进行优化设计且能显著地提高结构的刚度性能和散热性能.     

积分背景网格对自适应EFG法拓扑优化的影响研究

采用应力能量范数作为误差指标，探讨了EFG法中积分背景网格对计算精度的影响，得到了合理划分背景网格的建议；建立了以节点密度为设计变量、以最小化柔度为优化日标的拓扑优化模型。采用以节点密度值为加点判据的自适应规则加点方案，开展了连续体结构的拓扑优化研究，该加点方案能有效地减少设计变量的个数，探讨了背景网格对拓扑优化结果的影响。算例结果表明，采用合适的背景网格不仅能进一步减少设计变量的个数，而且能够改善拓扑优化结果的光滑性，使计算效率和精度得到提高。     

The theoretical study of the efficiency of diffusion deposition of nanoaerosols in the extended range of the Peclet numbers

The efficiencies of the diffusion deposition of nanoaerosols for a single fiber for the models of aerosol filter and wire mesh screen are studied numerically in the extended range of the Peclet number Pe. The rectangular periodic cell model for fluid flow and convective-diffusive transport of small aerosol particles is used. Most of the previous theoretical and experimental studies of single fiber diffusion deposition efficiency were for the case of Pe > 1. The array with uniform square or chess grid of fibers and of a row of circular cylindrical fibers are considered as the filter and wire mesh screen models. The flow and particles transport equations are solved numerically using the Boundary Element Method.The obtained numerical data are used to derive the approximate formulas for the deposition efficiency in the entire range of the Peclet number for the various porosities of the filter medium or distances between fibers in a wire mesh screen. The derived dependencies take into account nonlinearity of the deposition efficiency at the low Peclet numbers. The obtained analytical dependencies compare well with the numerical and experimental data.     

有频率禁区的连续体结构拓扑优化

用ICM(独立连续映射)方法建立了以重量为目标、频率为约束的连续体结构拓扑优化模型,并转化为对偶模型利用序列二次规划求解.解决了“棋盘格”现象、网格依赖性、局部模态及模态交换等问题.以重量为目标建立的优化模型同截面及形状优化形成了统一模型,在处理多频率约束及解决模态交换问题上有优势.     

考虑材料循环塑性的疲劳裂纹扩展模拟

提出了一种考虑材料循环塑性性能的研究疲劳裂纹扩展与闭合行为的有限元模拟方法．对所选用的循环塑性本构关系进行了基本实验检验．探讨了在疲劳裂纹扩展有限元分析中网格尺寸的影响，给出了网格优化准则．研究了在循环硬化条件下考虑裂纹合效应时裂纹面张开廓形、裂纹尖端应力、应变场和正反向塑性区的演变规律．对于循环硬化和不同循环应力比Ｒ等因素对裂纹张开应力水平的影响也作了考察     

An accurate anisotropic adaptation method for solving the level set advection equation

In the present paper, a mesh adaptation process for solving the advection equation on a fully unstructured computational mesh is introduced, with a particular interest in the case it implicitly describes an evolving surface. This process mainly relies on a numerical scheme based on the method of characteristics. However, low order, this scheme lends itself to a thorough analysis on the theoretical side. It gives rise to an anisotropic error estimate which enjoys a very natural interpretation in terms of the Hausdorff distance between the exact and approximated surfaces. The computational mesh is then adapted according to the metric supplied by this estimate. The whole process enjoys a good accuracy as far as the interface resolution is concerned. Some numerical features are discussed and several classical examples are presented and commented in two or three dimensions. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

数值流形方法及其在岩石力学中的应用

数值流形方法是目前岩石力学分析的主要方法之一.该方法起源于不连续变形分析,主要用于统一求解连续和非连续问题,其核心技术是在分析时采用了双重网格:数学网格提供的节点形成求解域的有限覆盖和权函数;而物理网格为求解的积分域.数学网格被用来建立数学覆盖,数学覆盖与物理网格的交集定义为物理覆盖,由物理覆盖的交集形成流形单元.流形方法的优点在于它使用了独立的数学和物理网格,具有和有限元明显不同的定义形式,且数学网格对于同一问题不同的求解精度的需求可以很方便地细化.由于该方法考虑了块体运动学,可以模拟节理岩体裂隙的开裂和闭合过程,因而在岩石力学中得到了广泛应用,近年来许多学者对该方法进行了研究.本文简要叙述了节理岩体的数值方法从连续到非连续的发展过程,详细地介绍了数值流形方法的组成和数值流形方法在岩石力学及其相关领域的研究和发展概况,最后就作者所关心的一些问题,如三维问题的数值流形方法、数值流形方法在物理非线性问题和裂纹扩展问题中的应用、相关的耦合方法等进行了探讨.     

非线性Duffing方程的高精度近似解

由参数迭代法得到非线性Duffing方程的高精度近似解,即使在小参数ε＝1的强非线性情况下,方程的误差函数在整个解域小于1％     

A particle swarm optimization approach for hexahedral mesh smoothing

There are some approaches for all‐hexahedral mesh quality improvement by means of node‐movement while preserving the connectivity. Among these methods, the most easily implemented and well known one is the Laplacian smoothing method; however, for this method mesh quality improvement is not guaranteed in all cases, and this approach might cause inverted elements especially in concave regions. In this work, a method for the improvement of hexahedral mesh shape‐quality without causing inverted elements is proposed; which is based on optimization of an objective function calculated by means of the individual qualities of hexahedral elements in the mesh. The shape‐quality for each hexahedral element is defined via the condition number of the relevant element. The numerical optimization scheme is the particle swarm optimization method, which originated from observations related to the social behaviors of bird, insect, or fish colonies. The purpose of this paper is to discuss the applicability of this approach to mesh smoothing. Some examples are given in order to demonstrate the applicability. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.