离散变量结构拓扑优化设计研究

研究了离散变量结构拓扑优化设计的若干问题，讨论了离散型优化模型的合理性，提出截面设计变量的离散程度和全局约束影响最优拓扑，是优化中不可忽视的因素，文中还提出了一种解离散变量桁架，刚架结构拓扑优化的启发式算法。     

桁架拓扑优化的多点逼近遗传算法

提出一种基于多点逼近函数和遗传算法的桁架拓扑优化方法。该方法建立了包含连续尺寸和离散拓扑两类变量的优化模型，并通过构造多点逼近函数建立了结构优化问题的第一级序列显式近似，然后采用分层优化方法：在外层对拓扑变量采用遗传算法进行优化；在内层对尺寸变量通过可由对偶法求解的第二级序列近似问题进行优化。几个经典的桁架拓扑优化算例表明该方法能以较少的结构分析次数获得比较理想的概率意义上的最优解。     

大型相控阵天线结构保型设计研究

针对某大型相控阵天线自重大、表面精度要求高、加强筋安装位置受限的特点,本文进行相控阵天线阵面保型的结构方案设计.考虑到加强筋安装位置和型材受限,提出了连续化过滤函数,使得型材变量与连续变量进行映射,将离散变量拓朴优化转换为连续变量拓朴优化求解,提高了求解效率,降低了求解的规模.同时,为降低支腿驱动力,以调整机构条件数为目标进行铰节点的布局优化,并进行了静、动力的计算,确定了支腿最大驱动力.对某大型相控阵雷达进行了案例验证,收到满意的结果,并且该方案将应用到工程实际中.     

包含两类变量的离散变量桁架结构拓扑优化设计

建立了包含截面和拓扑两类变量的离散变量结构拓扑优化设计的数学模型,该模型考虑了截面变量与拓扑变量间的耦合关系,反映了拓扑优化问题的组合优化本质,可以较好地解决"极限应力"、"最优解的奇异性"等困扰结构拓外优化设计的问题．同时采用相对差商法进行离散变量桁架结构拓扑优化,直接求解包含两类变量的离散变量结构拓扑优化设计数学模型,收到了比较满意的效果．     

连续体结构考虑离散性目标的ICM方法

为了使求解位移和应力约束下重量最轻的连续体结构拓扑优化问题的ICM(独立连续映射)方法得到更清晰的拓扑形式,引入拓扑变量离散性条件作为目标之一,与原目标组成多目标规划模型,使拓扑变量向0或1两端靠近,减小了删除率对结果的影响;用图形处理方法消除了棋盘格现象及网格依赖性;通过初选准有效约束及选择设计区域等,提高了求解效率。算例表明:改进后的算法虽然迭代次数比原算法略多,但更稳键,更实用。     

基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法

提出的布局优化方法是将桁架结构的截面变量、拓扑变量及形状变量统一为离散变量.将离散变量转化为适应于蚁群算法求解TSP问题的离散变量,应用MATLAB语言编写求解桁架结构布局优化程序,最终实现对问题的分析与求解.通过对几个经典的平面、空间桁架结构布局优化算例的验算表明:本文设计的基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法较单独处理截面优化、拓扑优化及形状优化问题具有更大的效益,相对于其他布局优化方法也展现出更好的优化效果.“基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法”在程序设计、求解速度、求解空间及其方法通用性等方面都表现出良好的性能,并且简单、实用,适应于实际工程应用.     

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.      

基于节点密度的自适应EFG法拓扑优化方法研究

针对无网格法拓扑优化中设计变量庞大、计算效率低的问题,提出了基于节点密度的自适应EFG拓扑优化方法。该方法以节点相对密度为设计变量,建立了以结构柔度最小为优化目标的自适应EFG拓扑优化模型,给出了拓扑优化中自适应节点加密准则、节点加密方法和新增节点设计变量更新规则。算例结果表明,采用本文提出的自适应EFG拓扑优化方法进行结构拓扑优化时,可以减少结构分析和优化的设计变量数目,提高优化效率。     

结构拓扑优化中变量连接算法研究与软件实现Research and software implementation of variable connection algorithm for structural topology optimization

结构拓扑优化的变量连接,是通过对设计变量之间添加约束关系,从而得到特定的拓扑优化构型,使得优化结果能够满足工程上的特殊要求和工艺制造技术的限制。针对拓扑优化中的几类过滤形式及灵敏度分析,给出了考虑变量连接的计算公式;基于自主研发的SiPESC软件集成化平台,在SiPESC ．TOPO拓扑优化模块上进行二次开发,构建了拓扑优化的变量连接算法框架,其核心思想是基于面向对象设计方法和软件设计模式,实现算法与数据分离。详细阐述了变量连接的作用方式,以及软件框架通用接口设计方案,并通过数值算例验证了其在静力问题、动力问题和热传导问题上的可行性。     

Concurrent multi-scale design optimization of composite frame structures using the Heaviside penalization of discrete material model

This paper deals with the concurrent multi-scale optimization design of frame structure composed of glass or carbon fiber reinforced polymer laminates. In the composite frame structure, the fiber winding angle at the micro-material scale and the geometrical parameter of components of the frame in the macro-structural scale are introduced as the inde-pendent variables on the two geometrical scales. Considering manufacturing requirements, discrete fiber winding angles are specified for the micro design variable. The improved Heaviside penalization discrete material optimization inter-polation scheme has been applied to achieve the discrete optimization design of the fiber winding angle. An optimiza-tion model based on the minimum structural compliance and the specified fiber material volume constraint has been estab-lished. The sensitivity information about the two geometrical scales design variables are also deduced considering the char-acteristics of discrete fiber winding angles. The optimization results of the fiber winding angle or the macro structural topology on the two single geometrical scales, together with the concurrent two-scale optimization, is separately studied and compared in the paper. Numerical examples in the paper show that the concurrent multi-scale optimization can fur-ther explore the coupling effect between the macro-structure and micro-material of the composite to achieve an ultra-light design of the composite frame structure. The novel two geometrical scales optimization model provides a new oppor-tunity for the design of composite structure in aerospace and other industries.     

考虑平稳随机响应的显式结构拓扑优化

随机载荷是工程结构在服役中经常承受的一种复杂的载荷形式,通常采用统计学特性对其进行描述。对随机载荷作用下的结构进行拓扑优化设计是一项极具挑战性的工作,其主要难点在于,(1) 传统隐式拓扑优化方法的设计变量数巨大,且用于结构动态性能拓扑优化问题时存在虚假模态等数值不稳定问题; (2) 对结构的随机动力响应统计量及其灵敏度进行计算需要极大的计算量; (3) 隐式拓扑优化框架下的分析模型与优化模型强耦合,导致结构有限元模型具有极高的自由度,进一步加剧了上述困难。本文基于移动可变形组件框架和虚拟激励法理论,提出了一种平稳随机载荷作用下结构的显式拓扑优化设计方法。通过将一系列可移动和可变形的结构组件作为优化的基础单元,实现了使用少量设计变量描述结构拓扑构型的目的。采用虚拟激励法、自由度删除技术和模态位移法有效降低了对结构进行随机振动分析和灵敏度分析的计算量。在此基础上,以结构柔顺度的标准差为目标函数、以设计域内实体材料的体积为约束条件,实现了限带白噪声作用下结构的拓扑优化设计,并通过数值算例验证了本文方法的有效性。     

A discrete nonlinear stepping optimization method and its application

Most of the practical design variables should always be discrete quantity within engineering optimization design problems. To obtain the true optimization solution, a discrete optimization method must be used. In this paper, a new method called step optimization search method is presented to solve the discrete quantity mathematic programming problems. The basic idea of this method is to find out an initial feasible point and then to search the optimum point step by step in the neighbouring region of this point so as to obtain an improved new discrete point. Respectively, the new point can be taken as initial one, and the whole process can be carried out once more until the optimum solution of the problem is obtained. Some results of numerical examples of practical problems show that this new method can solve problems quickly and simply and can be applied in a lot of engineering design problems.     

Topology optimization design of continuum structures under stress and displacement constraints

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｉｎｕｕｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｄｉｄｎｏｔｄｅｖｅｌｏｐｒａｐｉｄｌｙｕｎｔｉｌｒｅｃｅｎｔｔｅｎｙｅａｒｓｏｗｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｖｏ...     

二级多点近似方法在整星结构优化设计中的应用

以整星结构为研究对象,针对含有离散变量的混合变量优化问题,应用二级多点近似方法给出从卫星拓扑布局设计到尺寸的一体化优化求解过程。首先,对整星结构进行仿真和振动试验,设计满足总体指标要求且已得到在轨验证。其次,建立以极小化卫星质量为目标的多工况优化模型后利用分段多点逼近函数建立了显式近似问题。最后,采用遗传算法和变尺度法分别对离散/连续两类变量寻优,并以拓扑构型一致性和目标函数的下降程度作为收敛的判定依据。结果显示,在满足频率和静力的约束下,卫星质量降低了7.9%,且结构分析迭代次数仅为50~60次,从而验证了该方法在求解整星结构多变量多工况下的一体化设计问题时具有很高的计算效率和准确性。     

主动约束阻尼板压电层电压拓扑优化研究

建立主动约束层阻尼板有限元模型,以结构模态阻尼比最大化为目标函数,压电层总电能消耗为约束条件,压电层单元控制电压为设计变量,对主动约束层阻尼板压电层电压进行了拓扑优化,获得了压电层电压最优拓扑分布。通过引入虚拟设计变量,将压电层电压控制不连续问题转化为连续问题。考虑实际工程应用的需要,采用指数函数对电压中间变量进行惩罚。在灵敏度分析基础上,采用移动渐进线(MMA)法,求解了主动约束层阻尼板电压拓扑优化问题。数值算例证实了电压拓扑优化模型以及数值求解方法的有效性。     

基于结构可置信性鲁棒优化算法的离散优化问题研究

传统优化设计认为问题的参数(如材料属性和外加载荷等)是确定的,并且设计变量通常是连续的.而在实际应用中产品制造和测量等存在不可避免的误差,并且工程需要的设计结果(如钢筋截面尺寸等)往往是离散的.即使对于考虑了不确定性参数影响的连续最优解,经过圆整处理后也很可能产生较大偏差甚至变得不可行.针对该难点,本文结合非概率不确定性鲁棒优化算法,建立与离散的基于圆整策略的优化算法列式等价的鲁棒优化列式及用于解决离散优化问题的可置信性鲁棒优化方法.并进一步研究了离散变量不确定性优化问题的可置信性鲁棒优化求解方法,利用非线性半定规划进行高效求解,可严格保证所得结果的可行性.本文揭示了传统离散优化思想和不确定性优化思想的内在联系,完善了优化设计理论体系,为后续相关研究提供了全新思路和示范.     

离散变量结构优化设计的连续化方法

把离散变量结构优化设计问题转化为一般的0-1规划问题,进一步把该问题转化为一个带有互补约束的优化问题,利用NCP函数,最终得到待以求解的连续优化问题。离散优化到基于NCP函数的连续优化变换在理论上是等价的,可以利用普通的数学规划方法实施求解。数值算例的计算结果验证了该连续化方法的可行性与有效性。     

Plate/shell topological optimization subjected to linear buckling constraints by adopting composite exponential filtering function

In this paper, a model of topology optimization with linear buckling constraints is established based on an independent and continuous mapping method to minimize the plate/shell structure weight. A composite exponential function (CEF) is selected as filtering functions for element weight, the element stiffness matrix and the element geomet-ric stiffness matrix, which recognize the design variables, and to implement the changing process of design variables from“discrete”to“continuous”and back to“discrete”. The buck-ling constraints are approximated as explicit formulations based on the Taylor expansion and the filtering function. The optimization model is transformed to dual programming and solved by the dual sequence quadratic programming algo-rithm. Finally, three numerical examples with power function and CEF as filter function are analyzed and discussed to demonstrate the feasibility and efficiency of the proposed method.     

基于CA的结构拓扑优化中变量更新规则研究

针对连续体结构拓扑优化中数值不稳定问题,借鉴控制系统中反馈控制和误差放大器的原理,构建了一种无梯度约束的变量更新规则,以结构应变能密度均匀分布为优化目标,建立了基于元胞自动机的拓扑优化模型,进行了二维连续体结构的拓扑优化设计,得到材料在设计域内的最优分布。通过求解三个经典的算例,探讨了不同的误差放大系数对优化结果的影响,试验结果表明,该更新规则能够有效地抑制棋盘格和网格依赖性问题。     

强迫谐振动下连续体结构拓扑优化

应用结构拓扑优化ICM(独立连续映射)方法,对强迫谐振动下结构拓扑优化问题建立了以重量极小为目标,位移幅值为约束的优化模型.位移幅值采用一阶泰勒展式近似,由于拓扑优化中设计变量数目通常很多,对强迫谐振动位移幅值的敏度分析推导了伴随法公式,使得一次敏度分析可以计算出对所有设计变量的偏导数,克服了采用直接法敏度分析中一次只能计算出对一个设计变量的偏导数的不足.算例表明用伴随法分析敏度在结构拓扑优化中可以大幅提高计算效率,ICM方法采用独立于截面及形状参数的拓扑优化设计变量更清晰地反映了拓扑优化的本质.