面向增材制造的双蒙皮夹层结构加筋拓扑优化方法

双蒙皮夹层结构是航空航天装备中的特殊承力结构,其典型代表为发动机尾喷管中的同步环构件。近年来,增材制造技术为该类薄壁结构的创新型设计提供了有利条件。但增材制造有其特殊的工艺要求,基于传统拓扑优化得到的设计结果往往存在大量的悬空区域,无法直接应用于增材制造工艺。因此,需要在优化设计阶段统筹考虑结构的力学性能和自支撑工艺约束。针对上述问题,本文提出了一种面向增材制造的双蒙皮夹层薄壁结构加筋拓扑优化方法,可在一次优化中同时得到优化的加筋布局和非均匀点阵分布,从而解决悬空结构的支撑问题,确保优化结果的工艺可达性。为了平衡计算成本和分析精度,本文采用渐进均匀化方法来求解不同类型单胞等效弹性性能,以适应不同复杂单胞构型。基于上述方法,本文给出了某发动机同步环结构的拓扑优化算例,结果表明,本文优化设计方法可以实现双蒙皮夹层结构中夹层加筋和点阵的共同优化,为航空航天装备中发动机同步环结构轻量化设计提供了思路。     

面向增材制造的应力最小化连通性拓扑优化

增材制造与拓扑优化的有机结合将极大促进高性能产品的研发, 但现有基于拓扑优化的设计性能和可制造性研究多是独立开展, 或常局限于传统的刚度问题, 缺乏对工程中至关重要的强度问题的考虑. 面向增材制造, 针对协同考虑强度和可制造连通性的结构优化问题, 建立了材料体积和连通性标量场约束下的结构应力最小化拓扑优化模型. 针对求解过程中的不同数值困难问题, 提出了有效的优化求解策略. 引入基于P范数的全局标量场约束度量, 并结合稳定转换误差修正技术来实现对局部标量场的有效控制. 详细推导了相关灵敏度, 然后通过典型数值算例论证了文中模型及方法的合理有效性. 结果表明, 仅考虑连通性约束的刚度最大化设计不一定能避免局部高应力集中, 而该设计也不一定等同于应力最小化连通性设计; 充足的材料许用量和恰当的连通性约束边界条件对提高所研究设计的性能至关重要, 而应力凝聚参数取值并非越大越好, 合理取值才能有助于获取高性能设计. 此外, 优化结果也在一定程度上论证了可制造性拓扑优化中考虑强度问题的必要性和可行性.      

蒙皮点阵一体化支撑结构的移动可变形组件优化设计及空间站应用

中国空间站是我国研制的系统最为复杂的载人航天器,其中有效载荷支撑结构的高效轻量化设计是工程研制过程中遇到的技术难题。本文介绍了受晶体对称性启发的增材制造自支撑三维点阵结构设计方法,发展了基于蒙皮点阵一体化结构形式的移动可变形组件（MMC）拓扑优化方法,完成了面向增材制造的中国空间站某相机支撑结构的优化设计,该结构采用激光选区熔化成形（SLM）工艺制造,通过了力学试验考核,实现结构减重50%,基频提高35%,完成了基于MMC方法的蒙皮点阵一体化结构在我国载人航天领域的首次型号应用与在轨验证。     

结构拓扑优化中变量连接算法研究与软件实现

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。     

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。     

增材制造三维微点阵材料力学性能表征与细观优化设计研究进展

三维微点阵材料是一种由复杂拓扑胞元周期性排列构成的超轻质结构材料，兼具极低的密度、优越的力学特性和良好的能量吸收等性能，是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料.增材制造技术的快速发展，为三维微点阵材料的制备和优化设计带来了便利的条件，二者的结合为航空航天、轨道交通以及武器装备等领域实现防护结构轻量化和多功能一体化提供了新思路.为阐明增材制造三维微点阵材料的动态力学特性与变形失效机理，进一步开展材料多尺度优化设计，拓展增材制造微点阵材料在冲击防护等领域的应用，对增材制造三维微点阵材料力学行为与设计的研究成果进行了系统的综述和展望.依据增材制造三维微点阵材料的多尺度结构特征，分别评述了不同类型微点阵材料的宏观动力学响应与失效机制、细观性能表征与结构优化设计、微观组织特征与变形机理等方面的研究，展望了未来增材制造三维微点阵材料在冲击防护领域面临的问题和挑战.     

基于拓扑优化和深度学习的新型结构生成方法

计算机辅助设计已广泛应用于结构计算和分析,但如何利用计算机智能生成最佳的新型结构还面临巨大挑战。针对这一问题,提出了一种基于拓扑优化和深度学习的新型结构智能生成方法。该方法首先通过结构拓扑优化分析获得不同参数下的优化结果制作训练集图片,并将训练集标签定义为相应的工况类型,然后应用最小二乘生成对抗网络(LSGAN)深度学习算法进行训练并生成大量的新型结构,最后建立评价指标和评估体系对生成的模型进行评价比较,根据需求选择最佳结构设计方案。结合一个铸钢支座节点底板设计的工程案例,详细阐述了上述方法的应用过程,并借助三维重构技术和增材制造技术实现结构模型的一体化制造。研究结果表明,基于拓扑优化和深度学习的新型结构智能生成方法不仅可以自动生成新的结构,而且可以进一步优化结构的材料用量和力学性能。     

考虑自重载荷作用的连续体结构拓扑优化

针对自重载荷作用下连续体结构拓扑优化中常遇到的柔顺度随单元密度变化的非单调性、非 有效的材料体积约束和材料低密度区出现的``附属'效应等主要困难，提出了RAMP材料 插值模型和平均敏度过滤技术相结合的求解策略，并采用MMA方法进行了优化求解. 研究了 惩罚因子的选择对最优拓扑以及材料体积约束的影响. 结果表明，合理增大RAMP材料模型中 惩罚因子(例如取值达到20.0), 可使材料体积约束达到有效约束. 此外，通过与Sigmund 提出的敏度过滤技术比较表明，当引入平均敏度过滤技术时，结果0/1化程度较Sigmund的 敏度技术高，可获得清晰的黑白拓扑.     

考虑表面层厚度不确定的稳健性拓扑优化方法

采用增材制造工艺制备结构件时, 较差的成型精度和表面粗糙度会导致结构表面层异质, 引起表面层厚度的不确定性. 为了研究不确定性对拓扑优化结构性能的影响, 进而获得对不确定性具有更低敏感性的结构构型, 提出了考虑结构表面层厚度不确定性的稳健性拓扑优化方法. 首先, 采用一种基于腐蚀操作的表面层识别技术, 通过基于Helmholtz偏微分方程的PDE光滑过滤和基于Heaviside过滤、tanh函数的离散映射两个过程实现表面层异质等效模型的建立. 其次, 将表面层厚度作为服从高斯分布的随机变量, 基于摄动有限元方法开展了不确定性传播的分析和系统随机响应的预测; 以结构柔顺性均值和标准差的加权和作为优化目标, 建立了考虑表面层厚度不确定性的拓扑优化模型, 并推导了目标函数关于设计变量的敏度. 最后, 通过数值算例验证了该方法的有效性. 数值结果表明, 在设计过程中考虑表面层厚度不确定性对结构性能的影响, 可以得到具有更强抵抗不确定性能力的结构构型, 有效提升了结构性能的稳健性.      

基于改进灵敏度过滤策略的SIMP方法

在传统变密度法SIMP(Solid Isotropic Microstructures with Penalization)中,Sigmund灵敏度过滤策略是解决拓扑优化结果数值不稳定问题的重要方法之一。但在SIMP方法中采用Sigmund灵敏度过滤策略时,有时优化结果会有较多的灰度单元。为了减少拓扑优化结果中灰度单元的数量,提出了一种基于改进灵敏度过滤策略的SIMP方法。在过滤后单元灵敏度的计算中,增加了一个与中心单元过滤前灵敏度有关的部分,该部分在过滤后灵敏度中所占的比重需要通过过滤权重来调节。通过对灵敏度过滤需要的分析,确定了过滤半径和中心单元密度值是影响过滤权重的因素。根据拓扑优化实例的优化结果给出了过滤半径影响过滤权重的情况,并基于过滤半径对过滤权重的影响情况构建了过滤权重的函数。在改进灵敏度过滤策略的基础上,结合双重SIMP算法给出了本文SIMP方法的流程。最后,以悬臂梁结构和简支梁结构为例,验证了本文方法的有效性。与Sigmund灵敏度过滤策略相比,改进的灵敏度过滤策略能有效地减少灰度单元。与双重SIMP方法相比,本文SIMP方法能有效地减少数值不稳定现象。     

考虑可制造性约束的声子晶体多目标拓扑优化

对声子晶体进行拓扑优化可得到具有目标带隙特性的声子晶体结构, 在减振、隔声等领域具有潜在应用价值. 然而, 优化结果常会出现孤立材料单元而导致的制造困难问题. 针对该问题, 本文提出协同考虑带隙性能和可制造性约束的二维多相声子晶体多目标拓扑优化方法. 以在特定频率段带隙最宽和结构质量最小为优化目标, 在对微结构进行连通性分析的基础上, 引入考虑可制造性因素的附加约束, 并利用有限元法和具有精英选择策略的非支配排序遗传算法对该优化模型进行数值求解. 通过数值算例验证了本文模型及方法的合理性和有效性. 结果表明, 附加可制造性约束的拓扑优化模型可有效避免二维声子晶体构型中出现孤立材料单元的情况, 优化结果在满足带隙性能预期指标的同时也可兼顾到实际可制造性要求. 与仅仅考虑带隙性能的单目标优化结果相比, 本文提出的同时兼顾带隙性能和可制造因素的多目标优化模型可以针对实际应用和制造条件, 实现不同目标间的平衡, 具有显著优势和良好的应用前景.      

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。     

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.      

模具冷却通道截面拓扑优化设计

本文提出一种模具冷却通道截面设计的拓扑优化方法。根据直通道的特性建立等效的温度场模型,用均匀流体速度场代替湍流流速场,构建对流换热方程,并用第三类边界条件对流道入口温度边界进行描述。建立考虑热应力的热-力耦合模型,对模具结构的热机械性能进行描述。通过引入离散体过滤法得到含圆形通道的截面拓扑,并加入几何约束解决离散体法导致的相混问题。分别以模具表面的平均温度和位移均匀性为优化目标及约束条件,构建拓扑优化列式。通过平顶模具与U型模具设计实例,验证了本文方法的可行性。设计结果表明,本文方法能够得到清晰的拓扑结构,而且优化结果满足给定的管径、管间距及管到模面距离等尺寸约束。     

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。     

考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法

拓扑优化作为一种先进设计方法, 已被成功用于多个学科领域优化问题求解, 但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍, 如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等. 在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段. 在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中, 通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑, 包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性. 本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法. 所提方法继承了二者优势, 避免了各自缺点. 在该方法中, 首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据, 提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法. 其次, 通过引入组件的3个长度变量, 建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型. 最后, 以组件厚度变量为约束, 构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型. 采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性. 数值结果表明, 所提方法在无需额外约束的条件下, 仅通过组件厚度变量下限设置, 可实现整体结构的最小尺寸精确控制, 并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界.