一种基于自适应单元删除率的BESO方法

在ESO中采用动态删除率能有效地提高优化效率和稳定性，但现有的动态删除率策略都含有经验参数，确定删除率的过程较为复杂。本文提出了一种用于BESO的无经验参数自适应单元删除率确定方法。通过分析单元删除率对优化稳定性的影响，得到了结构优化过程中单元删除率的理想变化规律和单元灵敏度均匀化信息对删除率的影响情况，并据此分析了经验参数引入的原因，从而构造了评价单迭代步的单元灵敏度均匀化程度指标。然后，基于单迭代步的单元灵敏度均匀化程度指标，构造了全部迭代步信息下的单元灵敏度均匀化程度相对指标，结合单元删除率的推荐范围值，给出了一种自适应于结构优化进程的单元删除率自适应函数。最后，给出了基于自适应单元删除率的BESO方法实现流程。经典算例的结果对比说明，本文方法在保证优化质量相近的情况下，具有更好的优化效率和稳定性。     

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.      

渐进结构优化法(ESO)和双向渐进结构优化法(BESO)的近期发展

本文介绍渐进结构优化法和双向渐进结构优化法的近期发展和主要研究成果.从理论层面对该方法的合理性、连续体拓扑优化在多种工程问题中的应用,以及计算机软件的具体实现, 进行了阐述及算例演示.这些结果充分展示了渐进结构优化法解决实际工程优化设计问题的能力,以及其通过现有成熟建模界面广泛应用于日常建筑和机械结构设计的可行性.      

Designing orthotropic materials for negative or zero compressibility

There has been considerable interest in materials exhibiting negative or zero compressibility. Such materials are desirable for various applications. A number of models or mechanisms have been proposed to characterize the unusual phenomena of negative linear compressibility (NLC) and negative area compressibility (NAC) in natural or synthetic systems. In this paper we propose a general design technique for finding metamaterials with negative or zero compressibility by using a topology optimization approach. Based on the bi-directional evolutionary structural optimization (BESO) method, we establish a systematic computational procedure and present a series of designs of orthotropic materials with various magnitudes of negative compressibility, or with zero compressibility, in one or two directions. A physical prototype of one of such metamaterials is fabricated using a 3D printer and tested in the laboratory under either unidirectional loading or triaxial compression. The experimental results compare well with the numerical predictions. This research has demonstrated the feasibility of designing and fabricating metamaterials with negative or zero compressibility and paved the way towards their practical applications.     

Evolutionary topology optimization for acoustic-structure interaction problems using a mixed u/p formulation

In this work, we present a topology optimization method for acoustic-structure interaction problems, which combines bi-directional evolutionary structural optimization (BESO) with a mixed displacement-pressure (u/p) formulation as an effective and straightforward design method for a multi-physics system involving acoustic-structure interactions. Due to the binary characteristics of the BESO and the multi-physics modeling approach of the mixed formulation, the proposed optimization procedure could benefit from high computational efficiency and high-quality design in acoustic-structure interaction problems. Several topology optimization problems for vibro-acoustic systems are carried out, in order to demonstrate the effectiveness of the presented method.     

基于NURBS插值的三维渐进结构优化方法

提出一种基于等几何控制点密度变量的三维双向渐进结构拓扑优化方法。在当前列式下,高阶NURBS基函数被同时用于CAD模型中NURBS实体片的几何场、位移场和温度场以及密度场插值,实现了几何模型、分析模型和优化模型的有效统一,确保了位移场、温度场及密度场的高阶连续性;详细推导了基于等几何控制点密度变量的三维渐进结构法模型及其灵敏度分析列式;最后几个典型的数值算例,包括最小柔顺性、热传导优化问题及三维结构自由振动的基频最大化问题,验证了本文方法的有效性。     

考虑质量约束的多相材料结构拓扑优化新方法

提出了一种将双向渐进法（BESO）与快速非支配排序遗传算法（NSGA-II）相结合的拓扑优化方法，称为BESO-NSGA-II方法。与传统双向渐进法的体积约束不同，本文算法以质量作为约束条件，并采用多相材料插值方案实现了多相材料的优化分布。通过大量的算例，证明了算法的稳定性和有效性。与传统双向渐进法相比，新算法在相同约束条件下能有效地提高结构刚度。同时，为了获得干净的拓扑，该算法提出了在交叉变异过程中使用的双惩罚算子来实现干净的拓扑结构。结果表明，该算法能较好地实现结构的轻量化设计。