基于一种动态删除率的ESO方法

渐进结构优化方法 ESO(Evolutionary Structural Optimization)的基本思想是基于单元灵敏度,通过把无效或低效的单元逐步从结构中删除,从而得到优化的拓扑结构。经过20年的发展,其算法结构、理论研究以及实际工程应用领域已经取得了大量成果。在原始ESO算法中删除单元的数目是由固定删除率RR的取值决定的,设计者无法预期每一个迭代步删除单元的数量。对于一个初始满设计区域,合理的删除策略为随着迭代的进行,随着结构应力分布越均布,应该逐渐减少单元删除数量。基于此,本文构造了一种动态删除率,使得随着迭代的进行单元的删除数量逐渐减少,相对于前人构造的动态删除率更为简单明了,人为控制参数更少,并且通过算例证明该方法相比原始删除策略具有更好的优化效果。     

加窗渐进结构优化算法

渐进结构优化算法通常用于寻找结构最优的拓扑形状,指导结构的设计。但其删除准则的缺陷易引起计算效率低等一系列问题。本文对删除准则进行了改进,提出了加窗渐进结构优化算法。该算法引入结构整体平均应变能密度作为单元删除准则,同时将单元删除率设定为窗口可调的自适应状态。该算法一定程度上解决了传统渐进结构优化算法中计算效率较低和优化过程易发生畸变的问题,且推广至高阶有限元单元应用后扩大了其应用范围。通过与Michell理论解对比,其构造的拓扑的可靠性也得到了证明。     

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。     

基于目标函数的渐进结构频率优化二次灵敏度及其应用

渐进结构频率优化中的二次灵敏度反映了结构变化后单元灵敏度的变化情况,利用二次灵敏度的二次删除法能够在一定程度上解决标准渐进结构频率优化方法中效率和精度的矛盾,是一种可行的折衷算法.本文将二次灵敏度的表达式进行了进一步推广,给出了基于目标函数的二次灵敏度的表达式,然后结合算例分析了利用基于目标函数二次灵敏度的二次删除法的性能,可以看出,推广的二次灵敏度以及利用该二次灵敏度的二次删除法能够应用于复杂条件下的结构频率优化问题.     

多室弯箱力学参数的非线性动态Markov优化识别研究

对于多室弯箱结构,基于误差理论建立了多室弯箱力学参数的非线性动态Markov误差函数和方差计算公式,并根据正交函数系理论推导了固体壳单元计算列式;利用直接优化理论研究了多室弯箱力学参数的动态识别方法,其中最优步长采用一维自动寻优方案确定。同时给出了多室弯箱力学参数的非线性动态Markov优化识别的具体步骤,并研制了相应的计算程序。研究结果表明:基于正交函数系理论构造的固体壳单元是正确的;动态误差函数能同时考虑多位移考察点和多量测次数的系统响应信息;直接理论用于多室弯箱力学参数的非线性Markov优化识别时表现出良好的数值稳定性和收敛性,具有较高的计算效率。     

基于刚度与应力问题的多相材料双尺度拓扑优化研究

本文针对双尺度晶格结构的优化设计，在质量约束条件下，提出了一种将均匀化方法与快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)相结合的拓扑优化方法，并引入双向渐进(BESO)思想指导单元的增删．对于双尺度优化设计，利用均匀化理论实现了微观尺度与宏观尺度的耦合．为了解决工程应用中的多相材料布局以及结构刚度、应力双目标优化问题，引入带有加权因子的材料插值方案，利用改进的密度插值函数推导出带惩罚因子的灵敏度计算公式，利用全局p范数应力方案消除应力的局部行为．为了使多相微观结构具有较强的边界连通性，对微观单元进行基于密度的边界设计．最后，对经典的L型梁与二维支撑结构进行优化设计，分析了p范数应力参数对优化结果的影响．结果表明，所提出的算法可以有效地使双目标达到最优解的平衡状态．此外，通过与经典的均匀化算法以及相关领域研究的结果进行对比，证明了所提出算法在多相材料以及双目标优化问题中的优越性，为未来双尺度优化解决工程问题提供了一定的理论基础．     

循环对称结构的多尺度拓扑优化方法

研究了循环对称结构多尺度拓扑优化问题,阐明了均匀化等效性能的基本性质,提出了循环对称单胞的特征参数概念,建立了均匀化映射计算方法,构造了等效性能的三元参数插值模型,有效简化了不同特征参数、微结构构型与体分比下的单胞均匀化等效过程.通过微结构的特征驱动建模与B样条参数化,克服了微结构拓扑优化变量多和变量离散难以保证其光滑连接的问题.给出了典型数值算例,比较了等比例排列单胞与等间距排列单胞对结构优化结果的影响,验证了多尺度优化方法的有效性.     

基于XFEM与自适应网格的非均质材料裂纹扩展模拟

针对含有间断的非均匀材料的断裂问题，本文将虚节点多边形单元的形函数引入到扩展有限元（XFEM）中，提出了一种基于四叉树结构的动态网格细化方法，该方法可对间断面附近单元实现可调控的多层级细化，特别是对于裂纹扩展问题，可实现裂尖附近单元的动态网格细化与粗化。基于以上网格细化方法，本文提出了针对非均匀材质裂纹扩展问题的计算方法VP-XFEM。为验证算法的准确性与计算效率，针对含有孔洞及材料界面的断裂问题，本文给出了相应的算例。结果显示，与传统的一致性网格的XFEM相比，VP-XFEM能够明显改善计算精度与计算效率。     

Von Mises应力约束的连续结构的一种双向拓扑优化方法

本文依照双向进化结构拓扑优化方法(BESO)的基本思路,采用一种双区域技术,设计了一种双向进化拓扑优化方法,将设计区域划分为两个区域:用于显示结构拓扑构型的前台区域以及用于搜索单元可能生长方向的后台区域.根据结构有限元计算确定单元所在区域,并根据不同的区域,增加或删除结构单元,从而获得最优的拓扑构型.文章最后通过数值算...     

结构可靠性优化中的灵敏度分析

文中构建了基于可靠性的工程结构优化设计数学模型，并利用二阶矩理论将结构位移和单元应力可靠性约束进行了等价化处理，在此基础上导出了位移和应力的可靠性指标函数对设计变量的灵敏度计算表达式。这一表达式简洁规范并具有普遍性，对于类似以二阶矩形式表出的可靠性指标函数的灵敏度求解均成立。算例表明本文给出的基于可靠性的结构敏度计算公式是有效和正确的。     

基于单元密度进化步长控制的双向渐进结构优化方法

在渐进结构优化方法中,单元密度的进化步长是获得全局最优解的关键因素之一。为了提高渐进结构优化方法的全局寻优能力,提出一种基于单元密度进化步长控制的双向渐进结构优化方法。该方法根据各单元对结构性能影响的权重系数,建立单元密度进化步长的控制模型以控制主/次要单元的删除速率和添加速率,减小灵敏度误差并抑制灰度单元的产生。在控制单元密度进化步长的基础上结合双向渐进结构优化方法中添加单元的特点,以避免由于误删单元导致优化失败。同时,采用灵敏度再分配技术抑制棋盘格式以获得更平滑的优化构形。最后,通过两个算例验证了本文方法能有效地通过控制单元密度进化步长提高全局寻优能力。     

一种基于应力的双方向结构拓扑优化算法

基于传统的渐进结构优化方法，提出了一种基于应力的双方向渐进拓扑优化算法。该方法是对传统方法和目前的双方向法的改进和完善。算例表明该方法能避免目前的双方向法具有的解的振荡问题，具有更高的可靠性，能获得更佳的拓扑结构。     

双向固定网格渐进结构优化方法

近年来发展的渐进结构优化方法是一种有前途的结构拓扑和形状优化方法.本文在渐进结构优化方法的框架内建立了统一敏感度的概念,并基于固定网格有限元技术,发展了一种新的增加材料技术,提出了双向固定网格渐进结构优化方法.将该方法应用于复合材料壳结构开孔形状优化,以孔周等Tsai-Hill强度值作为优化目标,可以得到合理的最优解,证明了双向固定网格渐进结构优化方法的适用性.不同的初始点能得到几乎相同的最优解,展示了本文方法良好的全局最优性.     

基于改进的双向渐进结构优化法的应力约束拓扑优化

工程结构设计时经常需要限制最大名义应力,以避免发生断裂或疲劳破坏,一个有效的策略是采用拓扑优化方法. 常规的双向渐进结构优化法(bi-evolutionary structural optimization, BESO)不能有效求解应力约束拓扑优化问题,为此本文提出一种改进的双向渐进结构优化方法,处理体积和应力约束下的最小柔顺性问题. 引入基于K-S函数的全局应力度量,以减小大量局部应力约束引起的计算代价. 采用拉格朗日乘子法将应力约束函数引入到目标函数,然后由二分法确定合适的拉格朗日乘子的值使得应力约束得到满足. 而且,详细推导了基于BESO方法的应力约束拓扑优化模型及其灵敏度列式,最后通过三个典型拓扑优化算例验证改进方法的有效性. 为展示考虑应力约束的优点,将应力约束设计与传统的基于刚度的设计进行了比较. 结果表明, 改进的BESO方法优化迭代过程稳健,获得了边界灰度单元很少的清晰的拓扑构型,并实现了有效降低应力集中效应的设计.      

基于应力及其灵敏度的结构拓扑渐进优化方法

在导出应力灵敏度的基础上，建立了一种改进的基于应力及其灵敏度的结构拓扑双方向渐进优化算法．该方法是对传统ESO和BESO方法的改进和完善．算例表明该方法能较大程度减少解的振荡状态数，获得更佳的拓扑结构．具有概念上的简洁性和应用上的有效性。     

随机参数天线结构的概率优化设计

研究了具有随机参数天线结构基于概率的优化设计问题。同时考虑了结构物理参数、几何尺寸和作用荷载等的随机性;应用有限元方法与结构可靠性理论对抛物面天线反射面精度的可靠性和结构单元强度、稳定性和可靠性进行了分析;在此基础上构建了基于概率的天线背架结构优化设计模型。对8m口径天线结构的优化结果表明:文中提出的天线结构分析和优化设计模型与方法是合理可行的。     

采用非协调元的连续体拓扑优化设计

介绍了满足分片检验条件的一种非协调元，推导了结构拓扑优化设计中数值计算和敏度分析的基本方程，给出了数值算例，并对协调等参元和非协调元的拓扑优化结果进行了对照，最后的优化结果表明：采用非协调元所得的优化解已经能够使用，如果再实施过滤技术，设计区域中的中间密度单元明显减少，优化结果会更加精致；使用两类单元的求解效率和优化迭代次数相近；非协调元比等参元具有更高精度的拓扑优化结果。能进一步克服棋盘格式。     

多相材料布局及材料/结构一体化设计

为解决多相材料分布及材料/结构一体化优化问题,本文引入基于惩罚指数的材料插值方案对传统双向渐进结构优化的灵敏度算法进行了合理的改进。通过经典算例证实了改进算法在解决传统BESO方法不能胜任的多相材料分布优化和材料/结构一体化优化问题具有很好的收敛性和有效性。对常见参数对结构优化结果影响的研究,得出一些具有实际指导意义的结论。本文所开发的协同软件平台基于简单的ABAQUS建模软件界面降低了对设计人员技能要求,灵活的MATLAB二次开发平台为算法改进提供了广阔的空间。     

考虑材料设计变量的热-固耦合结构的优化设计

从材料-结构协同设计的角度研究了热-固耦合结构的优化设计问题,将决定结构材料性质的细观参数与结构宏观几何参数作为设计变量,利用均匀化方法推导了细观设计变量灵敏度显式计算式,并结合耦合场有限元方程构造了耦合场设计变量灵敏度计算式;提出了材料-结构协同设计的三种优化设计模型.利用结构响应最小优化模型对算例进行了计算,比较了宏观设计变量优化和材料-结构协同设计优化的效果.计算结果显示,材料-结构协同优化设计可以取得较单一宏观设计变量更好的优化效果.