基于等效静态载荷法的区间参数结构可靠性拓扑优化

研究了用等效静态载荷法,解决动态响应约束下的区间参数结构可靠性拓扑优化问题。对等效静态载荷赋予了新的含义:由等效静态载荷产生的区间静态响应与由动态载荷产生的区间动态响应,其对应的中值与离差均相等。利用泰勒展开计算出区间参数结构动态响应所有可能值组成的集合,再根据集合映射获得包含结构所有不确定信息的等效静态载荷集合,继而建立静态可靠性拓扑优化数学模型。通过集合映射和区间自然扩展,获得静态位移响应区间。基于区间非概率可靠性指标的定义,给出区间非概率可靠性约束的伴随法灵敏度分析算法。采用移动渐近线法完成此优化问题的求解。数值算例验证了模型的正确性和算法的有效性。     

具有不同拉压性能材料的连续体结构拓扑优化

采用浮动的拉伸与压缩生长参考区间法讨论材料的拉伸与压缩性能差别对最优拓扑的影响.材料的拉伸与压缩性能差别包含两个方面,其一,基础材料的拉伸杨氏模量与压缩杨氏模量存在差异;其二,基础材料在拉伸变形与在压缩变形下生长的参考应变区间不同. 两者对结构最优拓扑的影响具有等效性. 数值算例证明了这一等效性. 数值算例进一步表明,对于一个给定的设计域,基础材料的拉伸与压缩性能差异对结构最优拓扑影响很大. 因此,考虑结构及材料具有不同拉压性能时的拓扑优化工作具有明显的工程意义.      

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.     

考虑内部胞元能量等效的代表体元法

具有周期性胞元的超轻质材料在制造和应用过程中,不可避免地会出现基体材料、微结构拓扑和尺寸的随机性变化.此时,评价材料的等效弹性性能需要借助基于均匀化方法(周期性边界条件)或代表体元法(周期性边界条件,均匀应力或均匀应变边界条件等)的蒙特卡洛模拟.该文首先通过算例分析和比较了不同边界条件下的数值结果,讨论了结果的尺度效应和对胞元选取的依赖性.为了提高和改善Dirichlet边界条件下的计算效率和结果,提出了一种考虑内部胞元能量等效的代表体元法.该方法能够有效削弱边界条件和胞元选取的影响,从而实现了采用较小的代表体元得到更好的结果.数值算例验证了方法在预测确定性材料和随机性材料等效模量时的有效性.     

界面裂纹问题中的通用权函数法

热载荷和机械载荷共同作用下复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处.传统求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子的数值方法(如有限元、边界元法等),计算工作量大、效率低.通用权函数与时间无关,运用通用权函数法可以免除对每个时刻的应力分析,计算效率可得到很大提高.本文将通用权函数法推广到求解热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子过渡过程的问题中,推导出求解平面双材料界面裂纹问题应力强度因子的通用权函数法计算格式.基于此格式,计算热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子.通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到与相互作用积分法相当的工程应用精度.最后,应用此方法研究了热障涂层受热冲击及表面力共同作用时裂纹长度以及涂层厚度对应力强度因子的影响.结果表明:在一定边界条件下,当热障涂层中存在边缘裂纹时,随着涂层厚度的增加,更容易导致裂纹的扩展和涂层的剥落.     

塑性成型弹塑性有限元模拟的静水压力间接计算法

在单元内偏应力导数精度分析的基础上，了偏应力导数佳点逐层积分建立了修正的静水压力间接算法，将该方法应用于金属成型过程的弹塑性有限元模拟中，较好了解决了大步长时应力计算精度低的问题，提高了计算效率，算例表明，在变形总量和应变步长都较大的情况下。用庐方法计算得到的应力和变形载荷仍具有较好的精度。     

应力和位移约束下连续结构的有效拓扑优化方法

为了解决在拥有位移与应力多个约束条件下,以减少结构重量为目标函数的拓扑优化中多约束难处理的问题,本文研究了以位移约束、应力约束、应变能约束重量最小化为目标的拓扑优化关系.通过对目标函数与约束函数的解析敏度推导,证明了它们之间的等价性.得到的准则方程表明:在最优结构中,单元质量与该单元应变能之比等于结构总质量与结构总应变能之比.由于迭代准则方程中的各项都可以在 ANSYS 有限元分析中直接提取,也不必计算乘子,从而减少了优化过程中的函数调用次数,加快了优化速度.两个算例说明了该方法的简单、高效与适用性.     

基于设计空间调整的结构拓扑优化方法

提出了一种基于设计空间调整的结构拓扑优化方法,以求解有限元网格规模大的问题,且获得0/1拓扑解. 首先, 借鉴有理分式材料模型, 建立了材料刚度性质与拓扑变量的关系. 为了解决分析计算量大和需要解释得到的材料分布等问题,给出了一种不影响数学规划求解算法收敛特性的设计空间调整手段. 其次,当优化迭代求解接近结构最佳拓扑邻域后,采用了加速收敛求解的策略,并给出了一种加速收敛的启发式算法. 然后, 结合基于倒设计变量的位移函数的非完整二阶近似式,建立了一种基于设计空间调整的结构拓扑优化算法. 该方法能获得较好0--1分布特征的优化拓扑,能较好地处理多载荷和多约束的结构拓扑优化问题. 给出的算例表明通过结构分析模型规模的减小和传统的位移迭代求解法的采用,方法效率明显提高. 算例验证了该方法的正确性和有效性.      

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.      

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。     

兼顾静动荷载的结构拓扑优化方法

为避免考虑瞬态动力性能时拓扑优化的高计算成本,满足工程快速设计的需求,获得主要静动荷载作用下的合理结构形态,本文提出了一种低计算成本的兼顾静动荷载的结构拓扑优化方法。施加的动荷载是地震等效荷载,用振型分解法和抗震规范中的反应谱曲线确定;通过结构形态、动力特性和地震等效静载的相互反馈和作用实现了考虑结构动力特性的拓扑优化;此外,还提出方法的自动进化策略。算例表明,方法可有效实现兼顾静动性能的拓扑优化。     

考虑动荷载响应的结构形状优化设计研究

以产生相同位移场为基础，将动荷载转化为一系列的等效静荷载，然后将这些等效静荷载作为多个载 荷工况进行有限元优化设计分析. 通过几个算例的验证，表明这种基于动荷载等效转换的算 法能够反映动荷载对结构的动力响应，对具有大规模自由度的结构形状优化问题是有效的.     

Topology optimization of a flexible multibody system with variable-length bodies described by ALE–ANCF

Recent years have witnessed the application of topology optimization to flexible multibody systems (FMBS) so as to enhance their dynamic performances. In this study, an explicit topology optimization approach is proposed for an FMBS with variable-length bodies via the moving morphable components (MMC). Using the arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) formulation, the thin plate elements of the absolute nodal coordinate formulation (ANCF) are used to describe the platelike bodies with variable length. For the thin plate element of ALE–ANCF, the elastic force and additional inertial force, as well as their Jacobians, are analytically deduced. In order to account for the variable design domain, the sets of equivalent static loads are reanalyzed by introducing the actual and virtual design domains so as to transform the topology optimization problem of dynamic response into a static one. Finally, the novel MMC-based topology optimization method is employed to solve the corresponding static topology optimization problem by explicitly evolving the shapes and orientations of a set of structural components. The effect of the minimum feature size on the optimization of an FMBS is studied. Three numerical examples are presented to validate the accuracy of the thin plate element of ALE–ANCF and the efficiency of the proposed topology optimization approach, respectively.     

基于虚拟材料的T-B梁拓扑优化ESO方法

自从Zhou和Rozvany于2001年以T-B梁(Tie-Beam)问题质疑渐进结构优化方法ESO(Evolutionary Structural Optimization)的算法收敛性以来,结构最优化领域的研究者提出了多种算法以求解决这一问题。T-B梁问题仍是当前结构拓扑优化领域的研究热点,因为现有的各种T-B梁解法或是存有不足或是无法获得满意解答。本文在传统ESO算法中,将虚拟材料引入待删除单元,用以检测结构传力路径是否受到破坏,进而确定单元删除的合理性。算例表明,本文算法可有效防止ESO方法求解T-B梁问题时的失效并获得最优解,且本文算法只需在ESO迭代中附加一次检测,不改变ESO方法的迭代进程和寻优能力。     

Elastic modulus measurements of vertically aligned multi walled carbon nanotubes carpets by using the nanoindentation technique

Electrical, thermal and mechanical properties of Vertically Aligned Multi Walled Carbon NanoTubes (VA-MWCNT) make them an ideal candidate to replace some of conventional materials in micro and nano-electronic components. Integrating this material in micro components requires a good knowledge of their properties. As the electrical and thermal properties, the MWCNT mechanical properties are difficult to assess. Several techniques have been developed to estimate the CNT Young's modulus and the obtained results cover a large range of scale. In this study, we propose an indirect technique for MWCNT carpet Young's modulus measurements by using the nanoindentation technique. Nanoindentation tests are performed on a metallic film deposited on MWCNT. The measured equivalent reduced modulus takes into account the elastic properties of the metallic thin film and those of the MWCNT substrate. Bec et al. model, introduced in 2006, is used to separate elastic properties, and thus determine the MWCNT reduced Young’s modulus which is estimated between 329 and 352 GPa. Knowing the indenter mechanical properties, we estimate the Young’s modulus in the 461 to507 GPa range.     

SHPB试验中岩石试件的端面不平行修正

为研究短圆柱体岩石试件端面不平行对岩石动力学特性测试结果的影响,采用有限元分析软件LS-DYNA对9种端面不平行度和5种杨氏模量的岩石试件开展SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验数值模拟,对岩石选用HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型。数值模拟结果表明,当端面不平行度在0.40%以内时,端面不平行对动态应力测试结果的影响可忽略不计;但对动态应变测试结果的影响较大。当杨氏模量一定时,平均应变率测试误差和峰值应变测试误差随端面不平行度增大呈线性增大;当端面不平行度一定时,平均应变率测试误差和峰值应变测试误差随杨氏模量增大也呈线性增大。对数值模拟得到的平均应变率测试误差和峰值应变测试误差实施二元线性回归分析,提出了SHPB试验中端面不平行岩石试件平均应变率和峰值应变的修正公式。     

A direct approach for continuous topology optimization subject to admissible loading

In the present paper, a method is proposed for topology optimization of continuum structures subject to static and plastic admissibility conditions relative to a prescribed load. A key feature of the method is that, using a finite-element discretization, the form of the resulting topology optimization problem is similar to that of the direct static approach of the limit analysis problem. The proposed method is formulated in plane strain using Tresca materials and is illustrated on example problems taken from the literature.     

Scaling laws of nanoporous gold under uniaxial compression: Effects of structural disorder on the solid fraction,elastic Poisson's ratio,Young's modulus and yield strength

In this work the relationship between the structural disorder and the macroscopic mechanical behavior of nanoporous gold under uniaxial compression was investigated, using the finite element method. A recently proposed model based on a microstructure consisting of four-coordinated spherical nodes interconnected by cylindrical struts, whose node positions are randomly displaced from the lattice points of a diamond cubic lattice, was extended. This was done by including the increased density as result of the introduced structural disorder. Scaling equations for the elastic Poisson's ratio, the Young's modulus and the yield strength were determined as functions of the structural disorder and the solid fraction. The extended model was applied to identify the elastic–plastic behavior of the solid phase of nanoporous gold. It was found, that the elastic Poisson's ratio provides a robust basis for the calibration of the structural disorder. Based on this approach, a systematic study of the size effect on the yield strength was performed and the results were compared to experimental data provided in literature. An excellent agreement with recently published results for polymer infiltrated samples of nanoporous gold with varying ligament size was found.     

循环加卸载损伤大理岩的动力学特性

利用MTS 815电液伺服岩石实验系统进行上限应力为80%、85%、90%、95%单轴抗压强度的大理岩单轴压缩循环加卸载实验，每种上限应力条件分别设置20、40、60、80次循环。再利用分离式Hopkinson压杆对损伤岩样进行动力学实验。分析了循环加卸载上限应力及循环次数对大理岩塑性应变的影响，揭示了大理岩动态力学参数和破碎吸收能随损伤变量的演化规律。实验结果表明:塑性应变与循环次数呈正相关，且上限应力越大，塑性应变趋于稳定所需的循环次数也会增大；动态单轴抗压强度、动态弹性模量随损伤变量增加呈指数衰减；破碎吸能占比以损伤变量D=0.343为临界点分为两个阶段，D＜0.343时，破碎吸能占比稳定在10%左右，数值约为13 J，当D＞0.343时破碎吸能占比随损伤变量增加不断增大。研究结果可为岩体工程的设计、施工及支护参数的选取提供参考。