基于离散变量的拓扑优化方法

单元敏度的不准确估计是离散拓扑优化算法数值不稳定的原因之一,特别是添加材料时,传统的敏度计算公式给出的估计误差较大,甚至有时估计符号都是错误的．为了克服这一问题,通过对弹性平衡增量方程的摄动分析构造了新的增量敏度估计公式．这一新的公式无论是添加材料还是删除材料都能较准确地估计出目标函数增量,它可以看作是通过非局部单元刚度阵对传统敏度分析公式的修正．以此为基础构建了一种基于离散变量的拓扑优化算法,它可以从任意单元上添加或删除材料以使目标函数减小,同时为避免优化过程中重新划分网格,采用了单元软杀策略以小刚度材料模拟空单元．这一方法的主要优点是简单,不需要太多的数学计算,特别有利于工程实际的应用．     

考虑稳定性约束的五零能模式材料结构设计方法研究

五零能模式材料是一种声学超材料,虽然它一般采用固体材料设计,并且单胞常应用微桁架构型,但理论上这种材料设计的结构是不稳定的。本文从分析设计结构整体出发,探讨一种通过施加预载荷,确保五零能模式材料结构稳定性的方法,并给出了保证结构稳定性的充分条件,且应用典型的五零能模式材料单胞构型加以验证。同时,为方便提出的稳定性条件在设计过程中的实施,将五零能模式材料结构的设计过程描述为五零能模式材料的变换过程,采用结构尺寸优化模型来描述。当材料单胞为微桁架构型时,这一结构尺寸优化模型简单,结构稳定性约束和五零能模式材料性质约束均为线性约束。     

五零能模式材料设计的非线性有限元计算方法

五零能模式材料是一种新型人工超材料,特征为其弹性模量矩阵的6个特征值中5个为零,可用等效体积模量来描述,表现出类似流体的性质,可被应用于声学隐声斗篷的设计中。然而,根据A.N.Norris[1]提出的理论,设计五零能模式材料时,与应用变换声学方法设计一般声学人工超材料不同,要求其满足一非线性偏微分方程约束。本文利用非线性有限元的完全拉格朗日方法,推导了这一偏微分方程的弱形式,并给出了相应的非线性有限元计算列式,以及迭代求解的具体算法。最后,给出了五零能摸式材料设计的二维和三维坐标变换数值算例。     

Binary discrete method of topology optimization

The numerical non-stability of a discrete algorithm of topology optimization can result from the inaccurate evaluation of element sensitivities. Especially, when material is added to elements, the estimation of element sensitivities is very inaccurate, even their signs are also estimated wrong. In order to overcome the problem, a new incremental sensitivity analysis formula is constructed based on the perturbation analysis of the elastic equilibrium increment equation, which can provide us a good estimate of the change of the objective function whether material is removed from or added to elements, meanwhile it can also be considered as the conventional sensitivity formula modified by a non-local element stiffness matrix. As a consequence, a binary discrete method of topology optimization is established, in which each element is assigned either a stiffness value of solid material or a small value indicating no material, and the optimization process can remove material from elements or add material to elements so as to make the objective function decrease. And a main advantage of the method is simple and no need of much mathematics, particularly interesting in engineering application.     

流固耦合的周期加强板的振动及声辐射研究

研究了流体负载下的无穷大双周期加强板, 在周期谐振力作用下的振动响应和声辐射,并提出了一种基于有限元和空间波数法的半解析半数值方法. 首先利用有限元的方法对周期结构进行单元离散, 并将结构对薄板的作用力等效为节点力的作用. 然后通过周期结构的振动方程, 结合薄板与结构的位移边界条件, 建立了节点力与薄板节点位移的函数方程. 最后应用空间波数法和傅里叶变换, 并采用数值计算的方法求解出薄板的节点位移, 得到了周期加强板关于离散节点位移的振动和辐射声压方程. 在数值算例中, 对该方法的正确性进行了验证, 并且分析了周期结构对薄板的振动和声辐射的影响.     

两种五零能模式材料单胞构型及其性能分析

五零能模式材料是一种新型的人工超材料,虽属于弹性材料,但组成其单胞的特殊构型使其宏观静态表现为仅能承载一种受力状态,动态表现为仅能传播一种弹性波。本文首先构造了两种五零能模式材料的单胞构型,其具有不同的弹性特性,其中一种材料可传播弹性膨胀波,另一种可传播弹性剪切波。然后分别采用代表体元法和均匀化法分析这两种单胞的等效弹性模量。五零能模式材料的分析分为两步更直观,开始从单胞桁架模型入手,检验单胞构型是否满足五零能模式的定义,然后分析单胞实体模型,考察单胞构型的结构参数与其等效弹性模量的关系。研究表明对于这种低密度弹性材料的分析,代表体元法更适合。     

A level set method for structural topology optimization with multi-constraints and multi-materials

Combining the vector level set model, the shape sensitivity analysis theory with the gradient projection technique, a level set method for topology optimization with multi-constraints and multi-materials is presented in this paper. The method implicitly describes structural material interfaces by the vector level set and achieves the optimal shape and topology through the continuous evolution of the material interfaces in the structure. In order to increase computational efficiency for a fast convergence, an appropriate nonlinear speed mapping is established in the tangential space of the active constraints. Meanwhile, in order to overcome the numerical instability of general topology optimization problems, the regularization with the mean curvature flow is utilized to maintain the interface smoothness during the optimization process. The numerical examples demonstrate that the approach possesses a good flexibility in handling topological changes and gives an interface representation in a high fidelity, compared with other methods based on explicit boundary variations in the literature. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (59805001, 10332010) and Key Science and Technology Research Project of Ministry of Education of China (No.104060)     

无穷大周期加筋微穿孔板结构振动响应及吸声特性

研究在平面声波斜入射情况下,无穷大双周期加筋的微穿孔薄板结构的振动响应及吸声性能.首先在马大猷和Takahashi微穿孔板声学理论基础上,建立了微穿孔加筋薄板结构振动的半解析模型;然后应用傅里叶变换及空间波数分析方法,将周期加筋微穿孔薄板的振动位移及辐射声压表示为频域内波数的分量迭加形式;最后通过对波数分量进行求解,并利用傅里叶逆变换得到双周期加筋的微穿孔薄板的振动响应及吸声系数表达式.计算结果表明,薄板的弯曲振动在水中对吸声的影响较大,空气中仅对轻质穿孔板的低频吸声效果有一定影响;同时微穿孔率对周期加筋薄板吸声系数的影响明显,通过改变穿孔率和加筋周期等可有效地提高水中微穿孔薄板结构的吸声性能.     

双周期加筋微穿孔板的振动响应及声透射的研究

本文主要研究了水下无穷大双周期加筋微穿孔薄板,在平面声波斜入射下的振动响应和声透射,并提出了一种半解析半数值的计算方法。利用微穿孔板的声阻抗以及薄板表面的振速边界条件,建立了加筋穿孔薄板的振动方程,并根据傅立叶变换及空间波数法将振动位移表达为波数分量的迭加形式。采用数值计算的方法对波数分量进行求解并通过傅里叶逆变换,最终得到了双周期加筋穿孔薄板的振动响应及透射系数。通过与Takahashi穿孔板声压结果的对比,证明了本方法的正确性。在算例中,分析了加强筋及穿孔率对薄板结构的振动和声透射的影响。     

有限周期微穿孔波纹板吸声体吸声性能研究

为了推动微穿孔吸声体(MPA)在工程中的实际应用,本文采用数值仿真方法,研究了有限尺寸的微穿孔波纹板吸声体的吸声性能.首先,基于微穿孔板阻抗理论,并将平面波谱法和有限元分析方法耦合起来,构造了微穿孔波纹板吸声体(CMPA)的三维仿真模型,给出了在声波垂直入射和斜入射工况下,吸声体声学性能的计算列式;然后,应用有限元软件COMSOL,模拟了有限周期CMPA的吸声性能,分析了波纹深度和波纹间距与吸声性能之间的关系,以及声波入射方向对吸声性能的影响;最后,为改善吸声体对声波方向的敏感性,设计了双向波纹状微穿孔板吸声体.结果表明,在声波垂直入射和斜入射的工况下,相对于传统的平直微穿孔板吸声体,波纹板吸声体具有更好的吸声性能,包括更高的吸声系数和更宽的有效吸声频带;双向波纹板吸声体能显著改善单向波纹板对声波入射方向的敏感性,实现在更大声波入射角范围内的有效吸声,如当入射声波方位角任意且入射角在0°～45°范围内时,双向波纹板吸声体,在500～2500 Hz范围内的吸声系数都大于0.7,表现出了优良的吸声性能.