薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化研究

新一代航天装备的主承力薄壁舱段在追求极致轻量化的同时,还具有更高的刚度和抗屈曲等设计指标.传统结构形式和设计方法难以满足轻质高承载的设计要求.为此,本文提出了一种薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化方法,通过构建主层级稀疏加筋和次层级密集点阵增强结构整体和局部力学性能,扩展结构设计空间,有效提升材料利用率.其中,主层级加筋布局通过变密度拓扑优化方法获得,次层级点阵构型通过基于改进的渐进均匀化方法提出的两种设计方法获得,并基于材料插值模型,建立了多层级并发加筋拓扑优化框架,实现在一次拓扑优化求解中同时获得主层级加筋布局和次层级单胞拓扑构型.基于上述方法,本文分别给出了考虑结构刚度和稳定性设计需求的优化算例,并与传统单层级加筋拓扑优化进行了对比.结果 表明,多层级并发加筋方法可以根据承载边界和设计目标寻找优化的结构形式,且在相同质量下,其优化构型相比传统单层级拓扑优化结果表现出更高的承载性能,证明了本方法在薄壁结构设计上的优势.     

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.      

基于拓扑优化的声学结构材料分布设计

本文针对结构的声学设计问题进行研究,通过优化两种不同的材料在结构设计域内的拓扑分 布来最小化谐振结构所产生的声场中指定参考面/参考域内的声压。在研究中假定结构为线弹性小变 形结构,材料阻尼为Rayleigh阻尼,声学介质为无粘、可压缩、小扰动流体。对结构响应采用有限 元格式进行计算,对声场采用基于Helmholtz积分的边界元格式进行计算,由于声场在无穷远自由边 界的无反射条件在边界积分中能自动得到满足,该格式特别适合于具有开放边界的声场计算。建立 了结构有限元-声场边界元格式的耦合系统拓扑优化模型,导出了耦合系统敏感度分析的一般格式及 伴随格式。数值算例验证了所提出的结构-声学耦合系统优化方法的有效性和可靠性,并揭示了基于 声学准则的拓扑优化结果的有关特性 关键词边界积分,结构声学耦合系统,拓扑优化,敏感度分析,伴随方法     

含化学反应膛口流场的无网格数值模拟

基于无网格方法,对包含大位移运动边界和非平衡化学反应的膛口流场进行了数值模拟。所发展算法是基于线性基函数最小二乘显式无网格方法,忽略黏性及湍流的影响,对流场采用ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)形式的Euler方程描述,对流通量和化学反应源项采用多组分HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)格式和有限速率反应模型计算,对于运动边界造成的点云畸形采用局部点云重构方法处理,重构过程中采用虚拟边阵面推进。对圆柱绕流和激波诱导燃烧流场进行了数值模拟,验证了重构方法和化学反应计算的有效性。最后对12.7 mm口径机枪膛口流场进行了模拟,结果同实验照片、非结构网格方法结果吻合较好,数值结果清晰地再现了膛口初始冲击波、膛口冲击波、欠膨胀射流波系结构的动力学发展过程,以及膛口焰的时间、空间分布特征。     

连续体结构的拓扑与形状集成优化算法

以连续体结构的拓扑与形状优化设计技术作为研究对象,将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助设计有机地集成在一起,构建了优化设计模型;研究了用B样条曲线曲面逼近拓扑优化后的结构体边界,进行边界光滑处理;在形状优化中,设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动,建立了边界节点移动速度场计算方法和边界形状调整方法及模型更新理论,有效地控制节点的运动,给出了相应的算法和计算表达式,寻求较快的搜索方向,以合理速度分布尽快使形状变为最佳。设计实例的结果表明了本文所建立的模型的合理性和方法的有效性。     

应用于非凸设计区域桁架拓扑优化的一种基结构生成方法

为了提高桁架拓扑优化设计中非凸区域生成基结构的效率和准确性,介绍了一种基于几何和网格信息生成初始基结构的方法。通过直接将已有几何边界作为碰撞检测的标准,避免对原有边界扩展或构建限制区域,简化了基结构生成过程并可以避免杆件识别不准确的问题;通过减少需要与凹边界碰撞检测的杆件个数来提升整体基结构的生成效率;最后,针对已生成的基结构进行基于塑性准则的桁架拓扑优化。     

基于固定网格和拓扑导数的结构拓扑优化自适应泡泡法

为继承传统拓扑优化泡泡法变量少、精度高等优点,并克服其网格重划频繁、孔洞合并操作繁琐等不足,提出了一种基于固定网格和拓扑导数的自适应泡泡方法.该方法的主要特点是:(1)采用有限胞元固定网格分析方法计算结构力学响应,在优化过程中无需网格更新和重划分,就能保证较高的分析精度;(2)根据拓扑导数信息指导结构区域中孔洞的引入,不仅消除了优化结果对孔洞初始布局的依赖性,还能有效控制设计变量的数量;(3)引入拓扑导数阈值和孔洞影响区域新概念,实现了孔洞引入频次和位置的自适应调节,保证了拓扑优化过程的数值计算稳定性;(4)采用光滑变形隐式曲线描述孔洞边界,不仅设计参数少、变形能力强,而且便于处理孔洞间的融合/分离操作以及与固定网格分析方法的有机结合.理论分析和数值算例表明,改进后的自适应泡泡法能够消除传统泡泡法因采用拉格朗日网格和参数化B样条曲线模型而存在的实施困难,采用很少的设计变量就可获得边界光滑清晰的优化结果.      

任意多面体边界一致四面体网格生成方法

提出一种能够满足多面体边界几何与拓扑约束的边界一致恢复算法,解决了任意多面体的边界一致四面体网格生成问题。在恢复多面体的几何约束时,边界上可能会引入Steiner点,这样就不满足拓扑约束。对此,本文采用动态规划方法将Steiner点从边界上消除,修复与其相关四面体单元的拓扑关系,以保持原多面体边界的拓扑完整性,并采用扩展的Laplacian光顺算法优化劣质单元。在理论上,本文算法能够保证完整地恢复任意多面体的边界。算例表明,本文提出的边界一致恢复算法鲁棒性高,可应用于复杂多面体模型。     

巴西圆盘试样中心斜裂纹疲劳扩展轨迹的边界元模拟

提出了一个平面弹性体多裂纹疲劳扩展模型. 它主要涉及到复合型加载情况下多裂纹尖端疲劳扩展的数学模型及杂交位移不连续法(一种边界元法). 在数值模拟中, 对每一裂纹扩展增量分析时,在其先前的边界上增添裂纹扩展增量, 且只对新增添的裂纹扩展增量划分单元, 同时, 按照这种边界元法的实施方法对一些单元特征进行调整, 就可以方便地模拟裂纹扩展. 用这种数值方法模拟了巴西圆盘试样中心斜裂纹疲劳扩展轨迹,数值结果说明了预报模型的有效性, 揭示了裂纹体几何对疲劳扩展的影响.      

基于OPS和拓扑交换的离心泵网格质量提高算法

针对OPS算法本身固有的无法提高"全边界单元"质量的缺陷,提出了一种结合OPS和拓扑优化的网格质量提高算法。该方法通过判别"全边界单元"中边(或面)受到相邻单元共享的形式,采用不同的拓扑交换策略,且在拓扑交换过程中仅考虑网格的拓扑相关性,并不考虑网格的质量,保证将"全边界单元"转化为OPS算法提高其质量的其他类型边界单元。算例分析表明,本文算法相比Freitag的组合算法在消除极端二面角方面更具优势,相比OPS算法对提高离心泵边界网格及整体网格质量也具有较好的优势。     

Stability of the crossflow pattern around a slender and influence of disturbance

Topological structure and stability of a slender cross flow is discussed by the stability theory of dynamic system. The inner boundary of flow field was limiting streamline and it was proved that the topological structure connected saddles by limiting streamline is stable. It is proved that the development of slender vortices leads to the change of topological structure about cross flow. And it is the change from stable and symmetrical vortices flow pattern to unstable and symmetrical vortices flow pattern, and then to stable and asymmetrical vortices flow pattern due to little disturbance which leads to the development of asymmetrical slender vortices. The influence of disturbance to flowfield structure was discussed by unfolding theory too.     

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.     

Automated topology classification method for instantaneous velocity fields

Topological concepts provide highly comprehensible representations of the main features of a flow with a limited number of elements. This paper presents an automated classification method of instantaneous velocity fields based on the analysis of their critical points distribution and feature flow fields. It uses the fact that topological changes of a velocity field are continuous in time to extract large scale periodic phenomena from insufficiently time-resolved datasets. This method is applied to two test-cases : an analytical flow field and PIV planes acquired downstream a wall-mounted cube.     

Sensitivity of a general class of shape functionals to topological changes

The topological derivative represents the first term of the asymptotic expansion of a given shape functional with respect to the small parameter which measures the size of singular domain perturbations. The topological derivative has been successfully applied in the treatment of problems such as topology optimization, inverse analysis and image processing. In this paper, the calculation of the topological derivative for a general class of shape functionals is presented. In particular, we evaluate the topological derivative of a modified energy shape functional associated to the steady-state heat conduction problem, considering the nucleation of a small circular inclusion as the topological perturbation. Several methods were proposed to calculate the topological derivative. In this paper, the so-called topological-shape sensitivity method is extended to deal with a modified adjoint method, leading to an alternative approach to calculate the topological derivative based on shape sensitivity analysis together with a modified Lagrangian method. Since we are dealing with a general class of shape functionals, which are not necessarily associated to the energy, we will show that this new approach simplifies the most delicate step of the topological derivative calculation, namely, the asymptotic analysis of the adjoint state.     

细分曲面边界元法的黏附吸声材料结构拓扑优化分析

等几何分析采用样条基函数构造几何模型和实施变量近似,实现了计算机辅助设计和辅助工程的无缝连接,并已广泛应用于弹性力学、电磁场和位势问题等领域.然而直接采用等几何方法难以构造复杂模型,限制了该方法在大规模实际工程问题上的应用.细分曲面法可用于克服这一问题,该方法对传统模型的离散网格进行细分和拟合操作,构造出极限光滑曲面,连续性更高,对复杂结构的适用性更强.该方法主要有以下优点:(1)适用于任意拓扑结构;(2)数值计算稳定;(3)实施简单;(4)局部细化与连续性控制.由于该方法在复杂结构模型构造方面具有较强的灵活性和便利性,已被广泛应用于航空航天、汽车、动画、游戏制作等建模领域.将细分曲面法与边界元法相结合进行结构声学分析,几何场与物理场均采用箱样条基函数进行插值近似.以黏附吸声材料结构的声散射问题为例,建立吸声材料分布拓扑优化数学模型,并采用移动渐进线算法进行设计变量更新,最终获得最优材料分布.      

基于网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法

发展了一种基于有限元网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法,可在不改变设计域包络的情况下(如维持流型、艺术外观和附加功能等)对结构进行减重。首先,分别对二维问题和三维问题发展相应的有限元网格退化算法,并在刚度等效的意义上对网格进行重组,建立了具有杆元拓扑特征的有限元模型。其次,以全局种子网格的长度尺寸和杆元横截面积为优化变量,构造了域内双层驱动拓扑优化问题,得到具有最优体分比的杆元拓扑结构。数值算例表明,所提方法可获得新型式的结构拓扑优化方案,并可将结构拓扑优化理论推向工程化应用。     

非网格重剖分模拟宏观裂纹体的扩展有限单元法(2:数值实现)

探讨了扩展有限单元法的具体实现过程,包括裂纹体几何结构的拓扑分析、广义节点的选取及详细的单元数值计算。并针对前文提出的扩展有限单元平衡方程的统一矩阵实现模式,提出了采用虚拟层合元的思想来处理被裂纹横贯单元的子域积分问题,自然地解决了原方法中由于特殊的位移插值场在裂纹两侧不连续造成的单元刚度阵求解困难。同时依托比较成熟的虚拟层合单元法,可以方便地考虑域内及裂纹面上分布载荷影响。此外,一、二维算例较高精度的数值结果验证了本文算法的有效性和精度。     

拓扑优化在变压器吊耳设计中的应用

将拓扑优化中的ICM(独立、连续、映射)方法引入到变压器吊耳设计中; 推导了吊耳孔边缘载荷的分布公式,并依据两种吊耳结构的有限元分析与拓扑优化结果,提 出了两种新的结构设计方案. 数值试验结果表明, 改进后的新结构能够满足强度、刚度的要 求,同时减轻了重量.     

包含两类变量的离散变量桁架结构拓扑优化设计

建立了包含截面和拓扑两类变量的离散变量结构拓扑优化设计的数学模型,该模型考虑了截面变量与拓扑变量间的耦合关系,反映了拓扑优化问题的组合优化本质,可以较好地解决"极限应力"、"最优解的奇异性"等困扰结构拓外优化设计的问题．同时采用相对差商法进行离散变量桁架结构拓扑优化,直接求解包含两类变量的离散变量结构拓扑优化设计数学模型,收到了比较满意的效果．     

Topology optimization design of continuum structures under stress and displacement constraints

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｉｎｕｕｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｄｉｄｎｏｔｄｅｖｅｌｏｐｒａｐｉｄｌｙｕｎｔｉｌｒｅｃｅｎｔｔｅｎｙｅａｒｓｏｗｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｖｏ...