互逆规划的拓宽和深化及其在结构拓扑优化的应用

本文的工作涉及数学与力学两方面,数学方面:(1) 将数学规划论中新提出的互逆规划,从 s-m 型 (或称为 m-s 型) 发展出 s-s 型和 m-m 型互逆规划 (其中 s 意为单目标,m 意为多目标),从而使互逆规划的定义完备成为 3 种;(2) 从 KKT 条件审视互逆规划的两方面,得到了互逆规划双方求解涉及拟同构和拟同解的 3 个定理,并且予以证明,提供了在求解中对于互逆规划双方在求解中相互借鉴的理论基础;(3) 对一对互逆规划双方皆合理的情况和某一方不合理的情况,皆给出了求解策略和具体解法. 力学方面:(1) 给出结构优化设计模型合理与否的诠释;(2) 在互逆规划对结构拓扑优化的应用中,提出了不合理结构拓扑优化模型的求解策略;(3) 给出了借助 MVCC 模型 (多个柔顺度约束下的体积最小化) 解决 MCVC 模型 (对于给定体积下的多个柔顺度的最小化) 的途径,其中的建模基于 ICM (独立连续映射) 方法. 用 Matlab 编程给出了数值算例. 其中两个数学问题图示了互逆规划的双方关系;其中,结构拓扑优化问题是众多结构拓扑优化中的两个个案;数值结果均支持了本文提出的互逆规划理论.      

WIDENING AND DEEPENING OF RECIPROCAL PROGRAMMING AND ITS APPLICATION TO STRUCTURAL TOPOLOGY OPTIMIZATION 1)

本文的工作涉及数学与力学两方面,数学方面：(1) 将数学规划论中新提出的互逆规划,从 s-m 型 (或称为 m-s 型) 发展出 s-s 型和 m-m 型互逆规划 (其中 s 意为单目标,m 意为多目标),从而使互逆规划的定义完备成为 3 种;(2) 从 KKT 条件审视互逆规划的两方面,得到了互逆规划双方求解涉及拟同构和拟同解的 3 个定理,并且予以证明,提供了在求解中对于互逆规划双方在求解中相互借鉴的理论基础;(3) 对一对互逆规划双方皆合理的情况和某一方不合理的情况,皆给出了求解策略和具体解法. 力学方面：(1) 给出结构优化设计模型合理与否的诠释;(2) 在互逆规划对结构拓扑优化的应用中,提出了不合理结构拓扑优化模型的求解策略;(3) 给出了借助 MVCC 模型 (多个柔顺度约束下的体积最小化) 解决 MCVC 模型 (对于给定体积下的多个柔顺度的最小化) 的途径,其中的建模基于 ICM (独立连续映射) 方法. 用 Matlab 编程给出了数值算例. 其中两个数学问题图示了互逆规划的双方关系;其中,结构拓扑优化问题是众多结构拓扑优化中的两个个案;数值结果均支持了本文提出的互逆规划理论.     

基于多相材料的稳态热传导结构轻量化设计

在多相材料的结构拓扑优化问题中,通常给定各相材料体积约束或材料总重量约束作为材料的控制用量.在结构轻量化设计的实际工程背景下,以结构总重量最小化为目标的优化模型具有明确的工程意义.针对含多相材料的稳态传热结构拓扑优化问题,提出了以结构总重量最小化为目标和给定热柔顺度为约束的多工况连续体结构拓扑优化建模方法.遵循独立连续映射建模方式,采用两类独立拓扑变量分别表征单元热传导矩阵和单元重量状态.推导了热柔顺度和总重量对设计变量的敏度,基于一阶和二阶泰勒展开得到各自的近似表达式.通过求解偏微分方程,实现了约束函数一次项过滤,消除了棋盘格现象和网格依赖性问题,并保证了约束方程在过滤后严格成立.建立的近似优化模型具有二次函数形式的目标函数和一次函数形式的约束函数.基于对偶序列二次规划方法对优化模型进行求解直至收敛.通过四个三维结构数值算例分析对比了热柔顺度约束限值、不同材料混合及多工况、多约束条件对优化结果的影响.数值算例结果表明,本文提出的优化方法在基于多相材料的多工况稳态热传导结构轻量化设计中具有可行性和有效性.     

对连续体结构拓扑优化合理模型的再探讨

连续体结构拓扑优化存在不同的建模方式,针对不同优化模型,有必要比较不同模型间的异同以避免错误地理解及使用优化模型,同时也有必要探讨不同优化模型的适用性及合理性问题。结构重量及刚度指标是结构优化中最常用的两个指标,本文通过建立体积约束下最小化结构柔顺度模型,及位移约束下重量极小化模型,详细分析比较了在不同荷载形式、单荷载工况及多荷载工况下两种优化模型的异同,并以高层建筑大型支撑结构的拓扑优化设计应用为例,讨论了两种模型的适用性,最后在结论中给出了两种模型的优缺点及适用性。所得结论对连续体结构拓扑优化在工程中的应用及此领域内的学术研究均具有参考价值。     

基于IGA-SIMP法的连续体结构应力约束拓扑优化

建立了一种IGA-SIMP框架下的连续体结构应力约束拓扑优化方法。基于常用的SIMP模型,将非均匀有理B样条(NURBS)函数用于几何建模、结构分析和设计参数化,实现了结构分析和优化设计的集成统一。利用高阶连续的NURBS基函数,等几何分析(IGA)提高了结构应力及其灵敏度的计算精度,增加了拓扑优化结果的可信性。为处理大量局部应力约束,提出了基于稳定转换法修正的P-norm应力约束策略,以克服拓扑优化中的迭代振荡和收敛困难。通过几个典型平面应力问题的拓扑优化算例表明了本文方法的有效性和精确性。应力约束下的体积最小化设计以及体积和应力约束下的柔顺度最小化设计的算例表明,基于稳定转换法修正的约束策略可以抑制应力约束体积最小化设计中的迭代振荡现象,获得稳定收敛的优化解;比较而言,体积和应力约束下的柔顺度最小化设计的迭代过程更加稳健,适合采用精确修正的应力约束策略。     

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.      

基于IGA-SIMP法的连续体结构应力约束拓扑优化

建立了一种IGA-SIMP框架下的连续体结构应力约束拓扑优化方法。基于常用的SIMP模型,将非均匀有理B样条（NURBS）函数用于几何建模、结构分析和设计参数化,实现了结构分析和优化设计的集成统一。利用高阶连续的NURBS基函数,等几何分析（IGA）提高了结构应力及其灵敏度的计算精度,增加了拓扑优化结果的可信性。为处理大量局部应力约束,提出了基于稳定转换法修正的P-norm应力约束策略,以克服拓扑优化中的迭代振荡和收敛困难。通过几个典型平面应力问题的拓扑优化算例表明了本文方法的有效性和精确性。应力约束下的体积最小化设计以及体积和应力约束下的柔顺度最小化设计的算例表明,基于稳定转换法修正的约束策略可以抑制应力约束体积最小化设计中的迭代振荡现象,获得稳定收敛的优化解;比较而言,体积和应力约束下的柔顺度最小化设计的迭代过程更加稳健,适合采用精确修正的应力约束策略。     

K-S函数集成局部性能约束的结构拓扑优化二阶逼近解法

应用K-S (Kreisselmeier–Steinhauser)函数,对结构拓扑优化问题中的局部性能如应力、疲劳寿命等进行集成然后求解。首先针对互逆规划的单目标多约束模型（称为s方模型）及多目标单约束模型（称为m方模型）,应用结构拓扑优化ICM方法,分别建立了基于K-S函数集成处理的优化模型,推导了集成化的约束（对s方模型）或目标（对m方模型）函数的一阶及二阶导数,采用序列二次规划模型对所建立的优化模型进行迭代求解,依据K-T条件给出了二次规划模型的迭代求解公式。然后基于K-S函数阐述了s方模型的集成迭代解法,亦即集成方法。最后,阐述了基于K-S函数的s方模型和m方模型交替融合的迭代解法,亦即集成-集成方法。结果表明集成-集成方法比单纯的集成方法收敛更快。     

考虑非概率可靠性的结构柔顺度拓扑优化设计

实际工程中广泛存在的不确定性可能对结构拓扑设计产生重要影响。基于不确定性的多椭球凸模型描述及非概率可靠性指标的定义,建立了材料体积约束和不确定参数范围约束下、结构柔顺度极小极大化为目标的非概率可靠性拓扑优化数学模型。结合移动渐进线方法,基于单循环策略实现该连续Minimax优化问题的求解。经典算例尺寸优化设计结果说明了...     

基于可行域调整策略的多约束材料优化设计

研究基于可行域调整策略的多约束结构材料优化问题。建立了以结构柔顺度为目标函数,考虑体积、位移、结构自振频率为约束条件的结构材料优化模型和目标函数及约束函数近似式,并采用可行域调整策略和对偶算法求解。典型结构材料优化设计结果表明:可行域调整策略使优化过程平稳,获得的序列细观结构拓扑构型清晰;相比于单一体积约束结构拓扑优化求解,考虑多约束结构拓扑优化能获得更好的黑白占优解。     

Different effects of economic and structural performance indexes on model construction of structural topology optimization

The objective and constraint functions related to structural optimization designs are classified into economic and performance indexes in this paper.The influences of their different roles in model construction of structural topology optimization are also discussed.Furthermore,two structural topology optimization models,optimizing a performance index under the limitation of an economic index,represented by the minimum compliance with a volume constraint(MCVC)model,and optimizing an economic index under the limitation of a performance index,represented by the minimum weight with a displacement constraint(MWDC)model,are presented.Based on a comparison of numerical example results,the conclusions can be summarized as follows:(1)under the same external loading and displacement performance conditions,the results of the MWDC model are almost equal to those of the MCVC model;(2)the MWDC model overcomes the difficulties and shortcomings of the MCVC model;this makes the MWDC model more feasible in model construction;(3)constructing a model of minimizing an economic index under the limitations of performance indexes is better at meeting the needs of practical engineering problems and completely satisfies safety and economic requirements in mechanical engineering,which have remained unchanged since the early days of mechanical engineering.     

面向应力约束的独立连续映射方法

大多数已有的拓扑优化研究为系统刚度最大化设计,尤其以体积比约束下的静态柔顺度最小化问题为典型.从工程角度出发,结构强度设计至关重要.以往的应力研究表明,应力约束拓扑优化存在着奇异性、约束数目庞大、高度非线性特性等诸多数值困难.为了实现应力约束下的拓扑优化设计,采用归一化p范数应力指标以减少单元应力约束数目.遵循独立连续映射建模方式,引入密度变量的倒变量函数作为设计变量.推导了应力约束函数和体积目标函数对设计变量的敏度,并基于一阶和二阶泰勒近似得到各自的显式表达式.通过构造的系列二次规划子问题,原拓扑优化问题采用序列二次规划算法高效求解.二维数值算例考察了结构刚度和强度设计结果的异同,以及不同应力约束上限值对应力约束拓扑优化结果的影响.通过提出方法与传统变密度法结果的比较,说明提出的独立连续映射方法在应力约束下具有可行性和有效性.优化结果也表明了考虑应力约束的连续体拓扑优化具有必要性.      

结构拓扑优化局部性能约束下轻量化问题的互逆规划解法

瞄准应力和疲劳两类局部性能约束的结构拓扑优化问题,概括为分部、化整和集成3种解法和交融的3种解法.类比应力约束推导了疲劳寿命情况,一为满疲劳公式,二为疲劳寿命约束全局化的结构寿命概念和相应解法.在倒寿命概念下,实现了疲劳寿命约束与应力约束的规格统一.补充和完整了已有的局部性能约束解法,属于单目标模型,有分部、化整、集成三种.基于互逆规划理论的定理2,提出了交融优化解法,是单目标与多目标模型的交替迭代,有分部-集成、化整-集成和集成-集成三种.上述6种解法皆基于ICM方法进行建模.算例表明,新提出的交融优化方法提高了求解效率.     

Design of buckling constrained multiphase material structures using continuum topology optimization

This study contributes to a possibility of evaluating composite structures configuration such as steel and concrete using buckling and volume constraints based on multi-material topology optimization. A Jacobi active-phase algorithm is used to generate multiphase topology optimization. It provides a rational solution appropriated to the topology optimizer, Method of Moving Asymptotes due to the conflict in updating the design variables. A modified material interpolation scheme solving spurious buckling modes problem which occurs in the multi-material topology optimization process is given and discussed. An investigation of buckling constraint parameter is described. It allows a single-objective minimum compliance topology optimization to obtain two objectives of maximizing both structure stiffness and first buckling load factor. The optimal changing topologies of single material structure and multi-material structure corresponding to different buckling constraints are presented. Numerical examples of compression-only structures and compression-tension structures considering structural instability are performed using both single material and multiple materials to verify the efficiency and superiority of the present method.