基于拓扑优化的自发热体冷却用植入式导热路径设计方法

对于具有较低导热系数和较高生热率的热源材料(自发热体),通过优化植入内部的高导热材料的布局以降低内部温度,是实现自发热体冷却的重要措施.如何设计自发热体内部高导热材料的布局,是实现热源内部热量高效收集和温度控制的关键问题.本文研究建立植入式导热路径的拓扑优化设计方法,考虑高导热材料的植入对于热源分布的影响,以实现自发热体冷却的内置导热路径最优设计.基于固体各向同性材料惩罚模型(solid isotropic material with penalization,SIMP)拓扑描述方法,以高导热材料的相对密度为导热路径描述参数,分别选择合适的热传导系数和生热率的插值模型以建立热传导系数和生热率与相对密度的关系,并以结构散热弱度最小为目标,建立了植入式导热路径设计的拓扑优化数学模型和求解方法.该优化模型能够反映高导热材料的布局对热源布局的影响.通过具体算例,给出了贴片式散热路径与植入式散热路径的拓扑优化结果.设计结构表明,两种优化模型获得的最优散热构型存在较大不同,并且考虑植入高导热材料对热源布局影响的设计结果散热性能优于贴片式散热路径的设计结果.数值算例验证了本文所提出方法的正确性和有效性.      

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.     

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.     

变截面多稳态梁结构减振吸能分析与优化设计

基于多稳态梁结构具有吸能且可重复使用的特点，本文研究包含变截面多稳态梁的单胞结构及其周期性排布的减振吸能效应及其优化设计方法。对多稳态结构进行考虑几何非线性的位移加载/卸载有限元仿真，根据其载荷-位移曲线分析多稳态结构的减振吸能原理，并研究串联与并联周期性排布形式对结构整体吸能特性的影响规律。研究基于多参数调控的变截面梁结构形状表征方法，根据多稳态结构储能特点建立变截面多稳态单胞结构的结构优化模型，通过求解优化问题获得总质量不变条件下最优变截面梁结构形状。进一步地通过对优化结果的有限元分析验证优化的有效性，并对结构进行瞬态冲击荷载下动响应分析，证明多稳态结构的冲击保护作用。     

奇异边界法求解多连通域的瞬态热传导问题

提出一种基于奇异边界法结合双重互易法的数值模型来求解瞬态热传导问题。奇异边界法属于配点型边界无网格方法,相对于网格方法,其具有无需划分网格,只需边界配点的优势。运用差分格式来处理热传导方程中的时间变量,将原热传导方程化为非齐次修正Helmholtz方程。修正Helmholtz方程的解由齐次解和特解两部分组成,齐次解通过奇异边界法求出,特解由双重互易法求出,源项由径向基函数近似。通过数值算例检验了本文数值模型的精度及有效性;算例结果表明,该数值模型计算精度较高,误差基本都在1%以内,具有很好的稳定性,能有效地应用于求解多连通域的瞬态热传导问题。     

基于实验设计法的工程结构优化设计

基于实验设计法,提出了一种新的工程结构优化设计方法,这种方法将设计变量的水平值配列于正关表中,按正交表的参数组合条件进行结构解析,通过对设计变量对于目标函数值的方差分析和F检验,改变设计变量的水平值,进而通过迭代计算使设计变量趋地最优解,本文以杵架结构为计算例,验证了本方法的全局收敛性和优化精度,由于无需构建目标函数和约束函数以及微分计算,此方法具有简单而又适应广泛的优点。     

热-应力耦合结构灵敏度分析方法

研究稳态／瞬态热传导灵敏度分析、以及热与机械荷载同时作用的热结构应力灵敏度分析问题。考虑了温度场随设计变量的变化及其对应力的影响,提出温度场与结构热应力耦合问题的灵敏度计算方法。特别指出了热－应力耦合灵敏度分析中温度场导数的影响, 说明了在热－应力耦合结构灵敏度分析中必须考虑耦合灵敏度。在应用软件系统JIFEX中实现了所提出的方法,数值算例验证了灵敏度算法的精度。     

基于物理信息神经网络的功能梯度材料稳态/瞬态热传导分析

采用物理信息神经网络PINN(Physics-informed Neural Networks)求解稳态和瞬态功能梯度材料(FGMs)热传导问题。该方法利用控制方程、边界及初始条件的残差构造损失函数,在无任何响应数据的情况下得到了更具泛化能力的神经网络模型,同时避免了传统数值方法在求解计算力学问题时所需的微分、积分公式推导以及繁重的建模和划分网格等前处理工作。本文探究了PINN及其域分解的扩展物理信息神经网络XPINN(eXtended Physics-informed Neural Networks)在求解稳态和瞬态FGMs热传导问题时的适用性,讨论了网络结构对预测结果的影响。研究结果表明,PINN/XPINN在解决几何复杂的稳态和瞬态FGMs热传导问题时仍具有较高的可靠性和简洁的求解流程,同时,为极端环境下求解复杂多场耦合和夹杂等问题提供了新思路。     

基于无单元Galerkin方法的受迫振动下的连续体结构拓扑优化

基于无单元Galerkin法(EFG)对受迫振动下的连续体结构进行拓扑优化设计。选取节点的相对密度作为设计变量,以动柔度最小化为目标函数,基于带惩罚的各向同性固体材料模型（SIMP）建立了受迫振动下的连续体结构拓扑优化模型,采用伴随法求解得到目标函数的敏度分析公式,利用优化准则法对优化模型进行求解。通过经典的二维连续体结构拓扑优化算例证明了该方法的可行性和有效性。     

脆性材料热-力耦合模型及热破裂数值分析方法

针对混凝土、岩石等脆性材料,利用热传导和热-力耦合的相关理论,并结合材料在细观尺度上的损伤演化规律,提出了一种考虑损伤的热-力耦合模型,并在原有材料破坏过程分析系统RFPA(Realistic Failure Process Analysis)模型的基础上建立了脆性材料热破裂过程分析的数值模拟方法.该方法考虑了脆性材料在细观层次上力学性质的非均匀性(包括强度、弹模、传导系数等),并通过统计分布函数建立了宏、细观力学性能之间的联系.对不同均匀程度材料的数值模拟结果表明:材料的非均匀性对热传导规律、热应力分布以及热破坏模式有较大的影响.材料热力学性质的非均匀性加剧了材料内部热应力分布的非均匀性,这是致使非均匀材料热破裂的一个重要因素.对稳态和瞬态热传导两种条件下的脆性介质破裂过程模拟分析表明,考虑瞬态热传导计算所得到的破裂区小于相同条件下稳态热传导所得到的结果,表明在热破裂过程分析中,应注重考虑瞬态热传导对破裂过程的影响.     

Design of conducting paths based on topology optimization

In this paper, a new method based on topology optimization is developed to solve the volume-to-point heat conduction problem with distributed heat sources, which can construct the conducting paths by distributing high conductive materials. The closer natural tree of conducting paths is obtained by the present method when the heat source is uniform. The better heat transfer performance of the conducting paths for the volume-to-point (VP) problem can be obtained than those by the existing methods. The difference among the existing methods is discussed.     

考虑瞬态效应的承载隔热多功能结构拓扑优化

同时满足承载和隔热要求的多功能结构在高超飞行器热防护结构设计中倍受关注.实际隔热材料通常承载能力弱,而高承载材料隔热性能差,如何在有限空间内协同结构的承载与隔热成为关键问题.高超飞行器气动加热时间有限,存在加热时间短、热荷载变化大的特点.因此结构设计需要考虑时间因素和瞬态效应,而现有稳态传热与承载的多功能协同优化设计模...     

传热结构的多目标拓扑优化设计研究

深入分析了传热结构多目标拓扑优化设计中的几个关键问题。提出了基于结构柔度最小化和结构散热弱度最小化的多目标拓扑优化设计方法,建立了传热结构的多目标拓扑优化设计模型,推导了传热结构多目标拓扑优化中用于迭代分析求解的优化准则算法和敏度分析方程。通过数值计算验证了理论和算法的有效性。     

Stochastic transient analysis of thermal stresses in solids by explicit time-domain method

Stochastic heat conduction and thermal stress analysis of structures has received considerable attention in recent years. The propagation of uncertain thermal environments will lead to stochastic variations in temperature fields and thermal stresses. Therefore, it is reasonable to consider the variability of thermal environments while conducting thermal analysis. However, for ambient thermal excitations, only stationary random processes have been investigated thus far. In this study, the highly efficient explicit time-domain method(ETDM) is proposed for the analysis of non-stationary stochastic transient heat conduction and thermal stress problems. The explicit time-domain expressions of thermal responses are first constructed for a thermoelastic body. Then the statistical moments of thermal displacements and stresses can be directly obtained based on the explicit expressions of thermal responses. A numerical example involving non-stationary stochastic internal heat generation rate is investigated. The accuracy and efficiency of the proposed method are validated by comparison with the Monte-Carlo simulation.     

拓扑优化与仿生设计在空间太阳能电站热设计中的应用

高效热设计与热控制是高功率连续微波无线传能与空间太阳电站(SSPS)领域的研究热点之一,引起了国内外同行专家的高度关注与浓厚兴趣.本文针对欧米伽空间太阳能电站(SSPS-OM EGA)的结构特点及其对热设计与热控提出的巨大挑战,基于拓扑优化与仿生的思想,提出了一种新的热设计策略与方法.首先,联合流体出口边界与流道构型,建立最小化表面平均温度和流道压力损失的优化模型,得到陀螺馈源光伏阵上背板流道最优的出口位置与最佳拓扑构型,使馈源中的热量导出效率明显提高.其次,建立了仿蝴蝶翅膀形状与结构的对自由空间辐射散热的布局与拓扑优化模型,在满足性态前提下显著提升辐射效率.再者,分析推导了非线性目标和约束函数关于设计变量的灵敏度计算公式与迭代格式.最后,将本文模型与方法应用于欧米伽空间太阳能电站热设计,得到了满意的结果.     

二阶非定常多宗量热传导反问题的正则解

引入Bregman距离函数及其加权函数作为正则项，应用Tikhonov正则 化方法，对二阶非定常多宗量热传导反问题进行求解. 利用测量信息和计算信息构造最小二 乘函数，将多宗量反演识别问题转化为一个优化问题. 空间上采用8节点等参元进行离散， 时域上采用时域精细算法进行离散，建立了二阶非定常多宗量热传导问题的有限元正/反演数 值模型. 该模型不仅考虑了非均质和参数分布的影响，而且也便于正反演问题的敏度分析， 可对导热系数和边界条件等宗量进行有效的单一和组合识别. 给出了相关的数值验证，对信 息测量误差以及不同正则项的计算效率作了探讨. 数值结果表明，该方法能够对二阶非定常 多宗量热传导反问题进行有效的求解，并具有较高的计算精度.     

面向连续体拓扑优化的多样性设计求解方法

拓扑优化可以在概念设计阶段为工业产品结构的概念设计提供新颖的设计思路. 传统的连续体结构拓扑优化方法通常只能获得一个优化的拓扑构型,但在实际工程应用中,这个构型在后续设计阶段可能会由于分析模型逐步细化、设计要求的进一步明确而无法满足改变后的设计目标和约束. 针对此问题,提出了多样性设计求解方法(multiple designs approach,MDA),使得能够在优化过程中获得若干个多样性设计,以此减少在可能在设计初期由于信息不完整所带来的风险. 给出MDA 基本的优化列式,将目标函数定义为多个设计构型的目标性能加权之和,并通过加入对多样性度量的约束条件,在优化过程中驱动各个设计产生几何构型上差异. 给出了一种具体的多样性度量方法,并对其物理意义和特征进行描述和讨论. 以基于变密度法的最小柔顺性问题作为优化算例,给出了具体的优化列式及敏度推导. 在算例中,研究了目标函数和约束中不同参数对结果的影响,并对目标函数之外的其他潜在结构性能进行了讨论和比较. 结果表明,通过MDA 能够有效地给出一批多样性设计构型,为后续的精细化设计提供多种设计方案和思路.      

CHAOS-REGULARIZATION HYBRID ALGORITHM FOR NONLINEAR TWO-DIMENSIONAL INVERSE HEAT CONDUCTION PROBLEM

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＡｓａｋｉｎｄｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ,ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｍｕｓｔｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｏｍａｋｅｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ .Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｔａｋｅｎｄｕｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｆｒｏｍｉｎｎｅｒａｎｄ/ｏｒｂｏｕｎｄａｒｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅ…