基于节点密度的自适应EFG法拓扑优化方法研究

针对无网格法拓扑优化中设计变量庞大、计算效率低的问题,提出了基于节点密度的自适应EFG拓扑优化方法。该方法以节点相对密度为设计变量,建立了以结构柔度最小为优化目标的自适应EFG拓扑优化模型,给出了拓扑优化中自适应节点加密准则、节点加密方法和新增节点设计变量更新规则。算例结果表明,采用本文提出的自适应EFG拓扑优化方法进行结构拓扑优化时,可以减少结构分析和优化的设计变量数目,提高优化效率。     

积分背景网格对自适应EFG法拓扑优化的影响研究

采用应力能量范数作为误差指标,探讨了EFG法中积分背景网格对计算精度的影响,得到了合理划分背景网格的建议;建立了以节点密度为设计变量、以最小化柔度为优化日标的拓扑优化模型。采用以节点密度值为加点判据的自适应规则加点方案,开展了连续体结构的拓扑优化研究,该加点方案能有效地减少设计变量的个数,探讨了背景网格对拓扑优化结果的影响。算例结果表明,采用合适的背景网格不仅能进一步减少设计变量的个数,而且能够改善拓扑优化结果的光滑性,使计算效率和精度得到提高。     

平面裂纹问题的h, p, hp型自适应无网格方法的研究

无网格方法以其独特的优点：不需“网格”（即节点间的连接信息）划分,特别适合自适应的分析,在分析中只需要高梯度域简单地插入离散点（ｈ型）或保持模型节点数、分布、覆盖大小均不变,中增加高误差覆盖上的函数的多项式阶次（ｐ型）,便可以得到更高精度的数值模型。针对平面弹性问题发展和推导一种显式后验误差指示公式,对平面裂纹实例进行了ｈ型,ｐ型,ｈｐ型三种不同类型的无网格自适应分析,数值分析结果表明了这种自适应     

Sizing optimization of truss structures by method of centers and force formulation

This paper describes a new approach to optimum weight design of truss structures. The force method is incorporated in an optimization algorithm based on the method of center points. Design variables are the member cross-sectional areas and the redundant forces evaluated for each independent loading condition acting on the structure. The optimization method utilizes the largest hyperspheres inscribed within the feasible space. The method of hyperspheres has been enhanced here to handle the compatibility equality constraints as well. By including the analysis step in the optimization cycle there is no longer the need to perform separate structural analyses thus saving computation time. The viability and efficiency of the proposed method are demonstrated for truss structures subject to multiple loading conditions and constraints on member stresses, nodal displacement and minimum gage. Numerical results are compared with those reported in the literature.     

基于节点独立变量的连续体结构动态拓扑优化

提出基于节点独立变量的连续体结构动态拓扑优化方法.以动态结构响应量最小或最大为目标,体积比为约束,建立了动态结构拓扑优化模型.基于数字图像处理过滤技术得到清晰、边界光滑和体现网格无关性的优化结果.通过二维结构数值算例对理论方法进行验证.结果表明,该方法在连续体结构动态拓扑优化设计中具有可行性和有效性.     

考虑设计规范的海洋平台结构选型优化

针对具体海洋环境条件和生产要求，对导管架平台结构进行选型优化——拓扑布局与构件尺寸的联合优化，充分考虑设计规范的要求，建立多设计准则、多约束条件和多荷载工况的设计模型，其中环境荷载包括：风、浪、流、海冰从不同方向对平台的作用。通过结构选型优化获得最佳的结构拓扑布局形式，在降低平台造价的同时，设计出满足结构的稳定特性、安全寿命等多种设计准则的新型平台结构。     

Error estimate and adaptive refinement for incompressible Navier‐Stokes equations using the discrete least squares meshless method

In this paper, an adaptive refinement strategy based on a node‐moving technique is proposed and used for the efficient solution of the steady‐state incompressible Navier–Stokes equations. The value of a least squares functional of the residual of the governing differential equation and its boundary conditions at nodal points is regarded as a measure of error and used to predict the areas of poor solutions. A node‐moving technique is then used to move the nodal points to the zones of higher numerical errors. The problem is then resolved on the refined distribution of nodes for higher accuracy. A spring analogy is used for the node‐moving methodology in which nodal points are connected to their neighbors by virtual springs. The stiffness of each spring is assumed to be proportional to the errors of its two end points and its initial length. The new positions of the nodal points are found such that the spring system attains its equilibrium state. Some numerical examples are used to illustrate the ability of the proposed scheme for the adaptive solution of the steady‐state incompressible Navier–Stokes equations. The results demonstrate a considerable improvement of the results with a reasonable computational effort by using the proposed adaptive strategy. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于节点密度的柔性机构的拓扑优化设计

针对连续体结构拓扑优化中出现的棋盘格式问题提出了一种新的以节点密度作为设计变量的优化方法,从而使设计区域内的密度场函数具有C0连续性。建立了以互能和应变能比值为目标函数的柔性机构拓扑优化数学模型,推导了基于节点密度的柔性机构敏度计算的解析表达式。应用节点密度法对典型算例进行了拓扑优化计算,计算结果表明不需要借助滤波处理,节点密度法就能够得到具有清晰拓扑结构的优化结果,真实地反映了机构的结构细节。     

基于层次分解方法的桁架结构形状优化

对于桁架结构形状优化,应用层次分解优化方法,将设计变量分成杆件截面积和节点位置两类变量。求解时分为两层,第一层在给定节点位置下对杆件截面进行优化,同时考虑了应力、局部稳定约束和位移约束的重量最轻;第二层假定截面层的有效位移约束作用不变,求解一个使桁架刚度增强的二次规划问题,获得既不违反约束,又使目标函数不上升的新的节点位置,再返回第一层。两层交替进行直至收敛。     

Ensemble data assimilation applied to an adaptive mesh ocean model

In this study, a first attempt has been made to introduce mesh adaptivity into the ensemble Kalman fiter (EnKF) method. The EnKF data assimilation system was established for an unstructured adaptive mesh ocean model (Fluidity, Imperial College London). The mesh adaptivity involved using high resolution mesh at the regions of large flow gradients and around the observation points in order to reduce the representativeness errors of the observations. The use of adaptive meshes unavoidably introduces difficulties in the implementation of EnKF. The ensembles are defined at different meshes. To overcome the difficulties, a supermesh technique is employed for generating a reference mesh. The ensembles are then interpolated from their own mesh onto the reference mesh. The performance of the new EnKF data assimilation system has been tested in the Munk gyre flow test case. The discussion of this paper will focus on (a) the development of the EnKF data assimilation system within an adaptive mesh model and (b) the advantages of mesh adaptivity in the ocean data assimilation model. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

连续纤维增强复合材料结构基频最大化设计

与传统的金属材料相比, 纤维增强复合材料在强度、刚度、抗断裂等诸多方面具备更优良的性能, 目前纤维增强复合材料已在汽车、航空航天等工业领域得到了广泛应用. 本文提出一种求解连续纤维增强复合材料结构无阻尼自由振动下的基频最大化问题的拓扑优化方法. 为了实现结构拓扑构型与纤维角度的同步优化, 建立了以准许的材料用量体积分数为约束、以结构的一阶特征值为目标函数的动力学拓扑优化模型, 该模型包括表征结构拓扑构型的密度设计变量和表征纤维方向的角度设计变量. 详细推导了特征值目标函数关于密度设计变量和角度设计变量的解析灵敏度列式, 并采用移动渐进线方法 (method of moving asymptotes, MMA) 进行了优化求解; 最后通过3个数值算例验证本文方法的有效性, 其中包括一个以刚度最大化为目标的静力学优化算例, 和两个以一阶特征值为目标的动力学优化算例. 结果表明, 所提方法优化迭代过程稳健, 收敛快, 能够在实现结构拓扑构型与纤维角度的一体化优化的同时, 有效提高结构的频率.      

FUNDAMENTAL FREQUENCY MAXIMIZATION DESIGN FOR CONTINUOUS FIBER-REINFORCED COMPOSITE STRUCTURES 1)

与传统的金属材料相比, 纤维增强复合材料在强度、刚度、抗断裂等诸多方面具备更优良的性能, 目前纤维增强复合材料已在汽车、航空航天等工业领域得到了广泛应用. 本文提出一种求解连续纤维增强复合材料结构无阻尼自由振动下的基频最大化问题的拓扑优化方法. 为了实现结构拓扑构型与纤维角度的同步优化, 建立了以准许的材料用量体积分数为约束、以结构的一阶特征值为目标函数的动力学拓扑优化模型, 该模型包括表征结构拓扑构型的密度设计变量和表征纤维方向的角度设计变量. 详细推导了特征值目标函数关于密度设计变量和角度设计变量的解析灵敏度列式, 并采用移动渐进线方法 (method of moving asymptotes, MMA) 进行了优化求解; 最后通过3个数值算例验证本文方法的有效性, 其中包括一个以刚度最大化为目标的静力学优化算例, 和两个以一阶特征值为目标的动力学优化算例. 结果表明, 所提方法优化迭代过程稳健, 收敛快, 能够在实现结构拓扑构型与纤维角度的一体化优化的同时, 有效提高结构的频率.     

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.     

桁架拓扑优化的多点逼近遗传算法

提出一种基于多点逼近函数和遗传算法的桁架拓扑优化方法。该方法建立了包含连续尺寸和离散拓扑两类变量的优化模型，并通过构造多点逼近函数建立了结构优化问题的第一级序列显式近似，然后采用分层优化方法：在外层对拓扑变量采用遗传算法进行优化；在内层对尺寸变量通过可由对偶法求解的第二级序列近似问题进行优化。几个经典的桁架拓扑优化算例表明该方法能以较少的结构分析次数获得比较理想的概率意义上的最优解。     

压电桁架作动器/传感器优化配置算法研究

针对自适应压电桁架结构振动控制,建立了作动器/传感器优化配置数学模型,并提出一种优化配置的新方法。为了减少结构分析次数,该方法将近似概念、对偶法和遗传算法相结合,首先采用多点近似技术建立原问题的序列近似问题,再对近似问题中的作动器/传感器位置离散变量和控制增益连续变量采用遗传算法和对偶方法分别寻优的分层优化策略。为了提高近似问题对原问题的逼近程度,本文提出一种适于离散变量结构优化的分段多点近似函数。算例表明本文方法能够以很少的结构分析次数得到最优解。     

三维有限元六面体网格几何自适应再生成方法

基于几何自适应的六面体网再生成方法,提出了一种以栅格法为基本方法,对有限元网格再划分过程中的网格再划分标准、几何形状的获取以及新旧网格之间物理量的传递等关键问题进行了研究.重点介绍了基于几何自适应的六面体网格再生成算法,首先对旧网格实体模型进行识别,根据实体模型几何特征建立加密源点信息场;然后采用栅格法生成核心网格并对...     

The nominal force method for truss geometry and topology optimization incorporating stability considerations

This paper presents a computationally efficient method for truss layout optimization with stability constraints. Previously proposed approaches that ensure stability of optimal frameworks are first reviewed, showing that existing studies are generally restricted to topology optimization. The present contribution aims to generalize the approach to simultaneous geometry and topology optimization. A lower-bound plastic design formulation under multiple loading will serve as basis for this purpose. The numerical difficulties associated with geometrical variations are identified and the parametrization is adapted accordingly. To avoid nodal instability, the nominal force method is adopted, which introduces artificial loading cases to simulate the effect of geometric imperfections. Hence, the truss systems with unstable nodes are eliminated from the set of optimal solutions. At the same time, the local stability of structural members is ensured via a consistent local buckling criterion. This novel formulation leads to optimal configurations that can be practically used for the preliminary design of structural frameworks. Four applications illustrate the impact of stability constraints on the solution. The importance of geometry optimization is also pointed out by comparing with results that would be unattainable by topology optimization only.     

以可行域极点为初始迭代点求结构优化全局最优解

探索将结构优化可行域的极点选取作为初始迭代点 ,从而解决了结构优化的全局最优解问题。文中给出三个算例均得到满意解决 ,并显示了解题时的巨大优越性。     

有频率、振型节线位置要求的结构动力学优化设计

本文提出了一种同时满足固有频率、振型节线位置等要求的结构动力学设计方法。该方法先建立了振型节线位置及变化与独立设计参数的关系，然后在某些约束下利用优化方法求解设计结果，文中同时还给出了模态空间中固有频率、振型灵敏度分析的数值计算方法。实例表明它能有效地解决一些工程结构设计时涉及到固有频率、振型节线位置要求的结构动力学设计问题。     

AEROELASTIC OPTIMIZATION DESIGN OF COMPOSITE WING WITH CONSIDERATION OF STRUCTURAL INSTABILITY

从工程数学求解和有限元分析角度对复合材料结构的稳定性分析方法进行研究,基于这两个方面分别建立了同时考虑壁板稳定性约束和气动弹性约 束的气动弹性优化技术,并以大展弦比复合材料机翼为对象,进行气动弹性综合优化设计。研究表明,机翼气动弹性优化中若不考虑稳定性约束条件,虽然可以获得较小结构重量,但往往不满足稳定性要求;相比从有限元角度考虑结构失稳特征的气动弹性综合优化设计方法,通过工程数学方法对机翼结构进行分区失稳分析优化可以更加精准地控制变量,在满足各项性能指标,特别是稳定性约束的同时,进一步减轻了结构重量,提高了结构失稳因子。