形状设计灵敏度分析的改进的再生核质点法

基于物质导数概念和直接微分法,将再生核质点法应用于形状设计灵敏度分析（DSA）中。导出了基于无网格近似的灵敏度方程,特别强调了在考虑形状函数关于设计变量的物质导数时无网格方法与有限元法的不同。通过对RKPM形状函数及其物质导数进行矩式显式表述,提高了无网格方法的计算效率。对两个二维线弹性问题进行了位移灵敏度和应力灵敏度分析,计算结果与解析解吻合的很好;同时通过对通常的RKPM和改进的RKPM计算耗时的比较,显示了该方法不仅有效,而且可以显著地提高计算效率。     

用二级控制法对二维连续体进行形状优化

二级控制的意思是在自然设计变量和有限元网格节点之间加入设计单元，建立自然设计变量控制关键点坐标，关键点控制有限元网格节点，共两层控制关系。后一层控制关系借助有限元形函数描述设计单元，并引入相应的参数坐标，从而实现敏庋分析、结构形状变化的控制和网格的变动控制。本文使用二级控制理论有效地解决了二维连续体结构形状优化的一些困难，将形状优化问题处理成序列二次规划问题求解。使用MSC／PCL语言在MSC／Patran＆Nasntran平台上实现了优化模块的二次开发。本文设计思路的可行性和程序的有效性通过若干算例得到证实。     

考虑嵌入移动孔洞的多相材料布局优化

工程结构设计问题中经常需要预先嵌入一个或多个固定形状的孔洞以满足某些功能性或者制造性设计要求.为了有效求解这种带有嵌入可移动孔洞的多相材料连续体结构布局优化问题,通常需要同时优化这些嵌入孔洞的位置和方向及多相材料结构的拓扑构型,以改善结构的整体性能.为此,本文采用参数化的水平集函数描述嵌入孔洞的几何形状,并将定义多相材料结构拓扑的材料密度以及描述嵌入孔洞的位置和方向的几何参数视为所考虑优化问题的设计变量.为了避免由于孔洞移动造成的重新划分网格的繁琐及改善计算效率,使用平滑化的Heaviside函数将所有嵌入孔洞映射为固定网格上的密度场.同时,提出了一种在有限元水平上调用的类SIMP材料插值格式,用于优化问题的材料参数化,进而实现多相材料结构拓扑构型和嵌入孔洞位置和方向的同步优化.这种材料插值格式便于几何变量的解析灵敏度分析,使得当前的优化问题可以用基于梯度的优化算法求解.优化算例证明所提方法可以有效地处理带有多个嵌入孔洞的多相材料结构布局优化问题.      

结构形状优化与智能模型化

阻碍形状优化软件广泛应用的障碍之一是依据自然设计度量描述和建立设计模型、分析模型、优化模型以及实现三个模型之间的转换.本文称这一困难为结构形状优优设计软件的适用性.本文提出了一种方法用来动态地确定平面连续体结构形状优化过程中的边界,应用基于人工智能方法的启发式规则与技术,自动生成由设计单元法表示的几何模型,也就是将一个结构自动剖分成若干个大的四边形映射单元.这些大单元对于进一步的网络生成是必要的,同时也是向全自动计算机辅助形状优化系统前进的重要一步.     

考虑嵌入移动孔洞的多相材料布局优化

工程结构设计问题中经常需要预先嵌入一个或多个固定形状的孔洞以满足某些功能性或者制造性设计要求.为了有效求解这种带有嵌入可移动孔洞的多相材料连续体结构布局优化问题,通常需要同时优化这些嵌入孔洞的位置和方向及多相材料结构的拓扑构型,以改善结构的整体性能.为此,本文采用参数化的水平集函数描述嵌入孔洞的几何形状,并将定义多相材料结构拓扑的材料密度以及描述嵌入孔洞的位置和方向的几何参数视为所考虑优化问题的设计变量.为了避免由于孔洞移动造成的重新划分网格的繁琐及改善计算效率,使用平滑化的Heaviside函数将所有嵌入孔洞映射为固定网格上的密度场.同时,提出了一种在有限元水平上调用的类SIMP材料插值格式,用于优化问题的材料参数化,进而实现多相材料结构拓扑构型和嵌入孔洞位置和方向的同步优化.这种材料插值格式便于几何变量的解析灵敏度分析,使得当前的优化问题可以用基于梯度的优化算法求解.优化算例证明所提方法可以有效地处理带有多个嵌入孔洞的多相材料结构布局优化问题.     

等几何壳体分析与形状优化

首先基于Reissner-Mindlin理论进行了三维壳体等几何分析,而后基于此对三维壳体进行形状优化,提出了形状优化中灵敏度的全解析计算方法,包括位移应变阵、雅克比阵和刚度阵等相对控制顶点位置的灵敏度解析计算公式;通过实例验证了壳体等几何分析和灵敏度全解析计算方法的有效性。与传统的基于网格的灵敏度半解析计算方法相比,基于NURBS的灵敏度全解析计算具有精确、计算效率高的特点,且可以避免优化迭代中的网格畸变。     

等几何壳体分析与形状优化

首先基于Reissner-Mindlin理论进行了三维壳体等几何分析,而后基于此对三维壳体进行形状优化,提出了形状优化中灵敏度的全解析计算方法,包括位移应变阵、雅克比阵和刚度阵等相对控制顶点位置的灵敏度解析计算公式;通过实例验证了壳体等几何分析和灵敏度全解析计算方法的有效性。与传统的基于网格的灵敏度半解析计算方法相比,基于NURBS的灵敏度全解析计算具有精确、计算效率高的特点,且可以避免优化迭代中的网格畸变。     

基于虚荷载变量的形状优化和灵敏度分析

基于选择施加在结构“控制点”上的虚荷载作为优化设计变量,针对一种新的承受约束的形状优化数值方法进行了研究。借助于节点位移与虚荷载之间的线性关系,提出了一种新的计算灵敏度系数的解析方法。利用节点移动速度域概念构造了优化新形状产生的计算公式,以结构中节点的最大应力最小化作为优化目标,通过控制网格结点的最大位移量,较好地解决了单元网格在形状优化中的扭曲问题。对三个不同的实例成功地完成了形状优化。     

结构拓扑优化设计的三角网格进化法

针对进化或拓扑优化方法的不足，提出了一种基于遗传算法的新型进化式拓扑优化方法－－三角网格进化法，该方法不仅能够同时进行拓扑，形状与截面变量优化设计，而且在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。另外本文还首次对结构类型变量进行了优化计算，取得了有益的结果。最后几个数值算例证明了本方法的可行性和有效性。     

非稳态不可压缩自由表面粘性流体的三维数值计算

扩展了相对体积算法，计算了变速旋转的敞口圆筒内水的真实非稳态流动。采用了原始变量、交错非等分网格和显式迭代。计算结果与实验现象相吻合。当圆筒长时间等速旋转，其内流体与筒体一起作刚性旋转时，计算自由表面形状与流体力学理论公式的预言吻合得很好。     

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.      

3-D Aerodynamic Shape Design Using Hessians Based on Incomplete Sensitivities

We investigate the practicability of an optimization algorithm based on the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) method for 3D shape design problems, using approximate sensitivities of objective functions, where the contribution of the partial derivatives of the flow state with respect to the control variables is neglected. Therefore, it is worthwhile to investigate how an optimization method based on the Hessian behaves in this context. Indeed, the Hessian should be far from its real value if the gradient approximation is wrong. The optimization methodology is characterized by an unstructured CAD-free framework for shape and mesh deformations, an automatic differentiation of programs for the computation of the gradient of the cost function, and an unstructured flow solver. The redesign of transonic and supersonic wings has been considered and the performance of the BFGS method has been analyzed in comparison with a steepest descent method. Taking into account that a line search is too expensive to be carried out in such problems, a step size proportional to the gradient modulus has been employed for updating the control variables. Numerical results show that the BFGS method does not suffer from the approximation used in the evaluation of sensitivities, and leads to an effective improvement of the efficiency of the optimization methodology. These results can be then considered an a posteriori justification for incomplete sensitivities.     

Shape morphing and topology optimization of fluid channels by explicit boundary tracking

An integrated shape morphing and topology optimization approach based on the deformable simplicial complex methodology is developed to address Stokes and Navier‐Stokes flow problems. The optimized geometry is interpreted by a set of piecewise linear curves embedded in a well‐formed triangular mesh, resulting in a physically well‐defined interface between fluid and impermeable regions. The shape evolution is realized by deforming the curves while maintaining a high‐quality mesh through adaption of the mesh near the structural boundary, rather than performing global remeshing. Topological changes are allowed through hole merging or splitting of islands. The finite element discretization used provides smooth and stable optimized boundaries for simple energy dissipation objectives. However, for more advanced problems, boundary oscillations are observed due to conflicts between the objective function and the minimum length scale imposed by the meshing algorithm. A surface regularization scheme is introduced to circumvent this issue, which is specifically tailored for the deformable simplicial complex approach. In contrast to other filter‐based regularization techniques, the scheme does not introduce additional control variables, and at the same time, it is based on a rigorous sensitivity analysis. Several numerical examples are presented to demonstrate the applicability of the approach.     

桁架结构非概率可靠性形状优化设计

采用区间变量描述不确定参数,提出一种桁架结构非概率可靠性形状优化方法。建立了以截面尺寸和节点坐标为设计变量,以结构重量为目标函数,具有非概率可靠性指标约束的桁架结构形状优化数学模型。采用量纲归一化对截面尺寸和节点坐标进行了变量统一;运用均值点法对功能函数进行泰勒线性近似求解得到相应的非概率可靠性指标,并采用序列二次规划算法对优化模型进行求解。三个算例分析结果表明,算例均能快速稳定地收敛到最优解,结果符合工程结构设计经验,验证了本文所提方法的准确性和有效性。     

High‐fidelity aerodynamic shape optimization of modern transport wing using efficient hierarchical parameterization

Aerodynamic shape optimization technology is presented, using an efficient domain element parameterization approach. This provides a method that allows geometries to be parameterized at various levels, ranging from gross three‐dimensional planform alterations to detailed local surface changes. Design parameters control the domain element point locations and, through efficient global interpolation functions, deform both the surface geometry and corresponding computational fluid dynamics volume mesh, in a fast, high quality, and robust fashion. This results in total independence from the mesh type (structured or unstructured), and optimization independence from the flow‐solver is achieved by obtaining gradient information for an advanced gradient‐based optimizer by finite‐differences. Hence, the optimization tool can be used in conjunction with any flow‐solver and/or mesh generator. Results have been presented recently for two‐dimensional aerofoil cases, and shown impressive results; drag reductions of up to 45% were demonstrated using only 22 active design parameters. This paper presents the extension of these methods to three dimensions, with results for highly constrained optimization of a modern aircraft wing in transonic cruise. The optimization uses combined global and local parameters, giving 388 design variables, and produces a shock‐free geometry with an 18% reduction in drag, with the added advantage of significantly reduced root moments. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

An explicit level set approach for generalized shape optimization of fluids with the lattice Boltzmann method

This study is concerned with a generalized shape optimization approach for finding the geometry of fluidic devices and obstacles immersed in flows. Our approach is based on a level set representation of the fluid–solid interface and a hydrodynamic lattice Boltzmann method to predict the flow field. We present an explicit level set method that does not involve the solution of the Hamilton–Jacobi equation and allows using standard nonlinear programming methods. In contrast to previous works, the boundary conditions along the fluid–structure interface are enforced by second‐order accurate interpolation schemes, overcoming shortcomings of flow penalization methods and Brinkman formulations frequently used in topology optimization. To ensure smooth boundaries and mesh‐independent results, we introduce a simple, computationally inexpensive filtering method to regularize the level set field. Furthermore, we define box constraints for the design variables that guarantee a continuous evolution of the boundaries. The features of the proposed method are studied by two numeric examples of two‐dimensional steady‐state flow problems. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

离散变量结构形状优化设计的综合算法

提出一种离散变量结构形状优化设计的方法,该方法在优化过程中将两类变量统一考虑,根据两类变量的相对差商值确定搜索的变量;并且对形状变量施加了运动极限的限制,从而保证了收敛速度快,收敛平稳;将该算法应用于几个经典的结构优化算例：运算结果显示了该方法计算效率高,优化效果也比较满意．     

两类变量综合处理的结构形状优化设计方法

本文针对截面变量为离散变量为连续变量的结构优化问题提出了一种优化设计的方法,首先将单元内力作一阶近似,利用凝聚函数多约束问题转化了单约束问题。在解过程中,把定义在连续区间上的形状变量看成是在一些离散以值的离工用变量,然后将两类变量统一考虑并利用相对差商法求解。将该算法应用于几个经典的结构优化算例,运算结果显示了该方法是可行的,优化结果也比较满意。     

AERODYNAMIC OPTIMIZATION OF HIGH-SPEED TRAIN BASED ON RBF MESH DEFORMATION

基于局部型函数三维参数化方法、改进的蚁群算法和改进的克里金（Kriging）代理模型,开展了列车头型的三维气动减阻优化设计研究。为了避免复杂几何外形大变形情况下千万量级网格的重复生成,提高高速列车头型优化设计的效率,引入了缩减控制点的径向基函数网格变形技术。优化结果表明：径向基函数网格变形技术在不降低网格质量的情况下可以有效缩短网格变形的时间消耗,能够用于复杂几何外形的气动优化设计;在给定的设计空间内,控制鼻锥外形的6个关键设计参数对列车气动阻力的影响呈单调递增关系;优化后,在满足约束条件的情况下,简化外形列车的整车气动阻力减小5.41%,头尾车减阻效果明显,中间车气动阻力基本不变。     

基于优化模型的结构声学耦合界面载荷传递算法

针对结构声学耦合系统的界面载荷传递问题,提出了一种基于约束最优化模型的局部参数插值算法。耦合界面处结构和流体单元表面坐标通过各自的形状函数进行插值,把界面载荷在互不匹配的网格节点间的传递问题转化为一个点到用自然坐标表示的有限边界曲面的最小距离问题,以便利用成熟稳定的优化算法对其进行高效求解。与已有方法相比,该算法在耦合界面单元为曲面的情况下仍能保持较高的计算精度。本文给出的数值算例验证了本算法的有效性和可靠性。