多工况下结构拓扑优化设计

考虑单元删除和增加对结构应力约束的影响，提出了一种新的多工况下结构的双方向渐进优化方法．首先，基于在结构孔洞或边界周围附加人工材料的思路，建立了结构优化模型和应力灵敏度公式．然后，结合结构应力和应力灵敏度，给出了多工况静力载荷下考虑静应力约束的结构优化准则和算法．开展了结构仿真设计，结果表明给出的方法是正确和有效的，并具有较好的工程应用价值．     

考虑时变刚度特性的复合材料微结构拓扑优化设计方法

理想的骨折内固定植入物在组织愈合或修复的过程中,其结构性能需要满足不同愈合阶段对生物力学的需求.提出一种对生物可降解复合材料微结构的时变刚度特性进行调控设计的拓扑优化方法,以达到理想的骨折内固定植入物特殊的时变刚度特性需求.使用具有不同降解速率和刚度的两种可降解材料,以相对密度作为设计变量来描述不同材料的分布,以特定降...     

惯性载荷作用下结构拓扑优化

针对惯性载荷作用下的结构拓扑优化设计问题,基于结构整体柔顺度的灵敏度计算公式的推导,阐述了此类问题目标函数的非单调特征;根据载荷与单元刚度的设计相关性,分析了多种材料插值模型对优化结果和迭代过程的影响. 在此基础上,提出可变参数的RAMP模型,对不等式体积约束和纯自重作用下的拓扑优化问题,通过稳定的优化迭代过程得到逼近理论最优解的优化结果. 理论分析和数值算例表明,设计相关惯性载荷导致结构柔顺度的灵敏度不再永远为负值,即柔顺度不再是单调减函数;惯性载荷作用下拓扑优化结果并不总是达到体积约束上限,即材料用量越多结构刚度未必越大;已有的ESO和MP类优化方法的优化结果存在明显的区别,而选择适当的材料插值模型能够很好的将两类优化方法的结果统一起来.      

Acoustic topology optimization of sound power using mapped acoustic radiation modes

An efficient approach for acoustic topology optimization to minimize the radiated sound power from a vibrating structure is described. The topology optimization is implemented by modifying the local stiffness at discrete locations on the surface of the structure. The radiated sound power level from the structure is directly chosen as the objective function to be minimized. A sensitivity analysis is then implemented to further optimize the layout of the locations of the modified local stiffness. To speed up the computational process, the radiated sound power is computed based on mapped acoustic radiation modes. To demonstrate the acoustic topology optimization using mapped acoustic radiation modes, the radiated sound power of a compressor housing is examined. Based on results from the numerical model, the local stiffness of a compressor housing was experimentally modified. Good agreement in sound power reduction obtained both numerically and experimentally was observed for the overall trend for the sound power levels as a function of one-third octave frequency bands.     

Plate/shell structure topology optimization of orthotropic material for buckling problem based on independent continuous topological variables

The purpose of the present work is to study the buckling problem with plate/shell topology optimiza-tion of orthotropic material.A model of buckling topology optimization is established based on the independent,con-tinuous, and mapping method, which considers structural mass as objective and buckling critical loads as constraints. Firstly, composite exponential function (CEF) and power function(PF)as filter functions are introduced to recognize the element mass,the element stiffness matrix,and the ele-ment geometric stiffness matrix.The filter functions of the orthotropic material stiffness are deduced. Then these fil-ter functions are put into buckling topology optimization of a differential equation to analyze the design sensitiv-ity.Furthermore,the buckling constraints are approximately expressed as explicit functions with respect to the design vari-ables based on the first-order Taylor expansion.The objective function is standardized based on the second-order Taylor expansion. Therefore,the optimization model is translated into a quadratic program.Finally,the dual sequence quadratic programming(DSQP)algorithm and the global convergence method of moving asymptotes algorithm with two different filter functions(CEF and PF)are applied to solve the opti-mal model.Three numerical results show that DSQP&CEF has the best performance in the view of structural mass and discretion.     

考虑表面层厚度不确定的稳健性拓扑优化方法

采用增材制造工艺制备结构件时, 较差的成型精度和表面粗糙度会导致结构表面层异质, 引起表面层厚度的不确定性. 为了研究不确定性对拓扑优化结构性能的影响, 进而获得对不确定性具有更低敏感性的结构构型, 提出了考虑结构表面层厚度不确定性的稳健性拓扑优化方法. 首先, 采用一种基于腐蚀操作的表面层识别技术, 通过基于Helmholtz偏微分方程的PDE光滑过滤和基于Heaviside过滤、tanh函数的离散映射两个过程实现表面层异质等效模型的建立. 其次, 将表面层厚度作为服从高斯分布的随机变量, 基于摄动有限元方法开展了不确定性传播的分析和系统随机响应的预测; 以结构柔顺性均值和标准差的加权和作为优化目标, 建立了考虑表面层厚度不确定性的拓扑优化模型, 并推导了目标函数关于设计变量的敏度. 最后, 通过数值算例验证了该方法的有效性. 数值结果表明, 在设计过程中考虑表面层厚度不确定性对结构性能的影响, 可以得到具有更强抵抗不确定性能力的结构构型, 有效提升了结构性能的稳健性.      

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.      

基于应变能与频率灵敏度的静动力双目标ESO

当前在运用渐进结构优化(ESO)时,大多仅设定了单一的静力或动力目标,难以满足工程结构设计的需求。为此,将单目标优化常用的应变能灵敏度和频率灵敏度进行无量纲处理,再与多目标优化理论结合,开发出静动力双目标ESO。通过多个不同边界条件的深受弯构件数值算例,证实了新方法的运行稳定性和普遍适用性,同时还得到了静力优化与动力优化间的权重系数比取值建议。有限元对比分析结果表明,该新方法相较于传统的单目标优化,能够兼顾结构的静动力性能,使结构耗材减少但静力刚度基本维持,同时材料利用率和一阶固有频率还能不断提升。     

Plate/shell topological optimization subjected to linear buckling constraints by adopting composite exponential filtering function

In this paper, a model of topology optimization with linear buckling constraints is established based on an independent and continuous mapping method to minimize the plate/shell structure weight. A composite exponential function (CEF) is selected as filtering functions for element weight, the element stiffness matrix and the element geomet-ric stiffness matrix, which recognize the design variables, and to implement the changing process of design variables from“discrete”to“continuous”and back to“discrete”. The buck-ling constraints are approximated as explicit formulations based on the Taylor expansion and the filtering function. The optimization model is transformed to dual programming and solved by the dual sequence quadratic programming algo-rithm. Finally, three numerical examples with power function and CEF as filter function are analyzed and discussed to demonstrate the feasibility and efficiency of the proposed method.     

基于应力及其灵敏度的结构拓扑渐进优化方法

在导出应力灵敏度的基础上，建立了一种改进的基于应力及其灵敏度的结构拓扑双方向渐进优化算法．该方法是对传统ESO和BESO方法的改进和完善．算例表明该方法能较大程度减少解的振荡状态数，获得更佳的拓扑结构．具有概念上的简洁性和应用上的有效性。     

强迫谐振动下连续体结构拓扑优化

应用结构拓扑优化ICM(独立连续映射)方法,对强迫谐振动下结构拓扑优化问题建立了以重量极小为目标,位移幅值为约束的优化模型.位移幅值采用一阶泰勒展式近似,由于拓扑优化中设计变量数目通常很多,对强迫谐振动位移幅值的敏度分析推导了伴随法公式,使得一次敏度分析可以计算出对所有设计变量的偏导数,克服了采用直接法敏度分析中一次只能计算出对一个设计变量的偏导数的不足.算例表明用伴随法分析敏度在结构拓扑优化中可以大幅提高计算效率,ICM方法采用独立于截面及形状参数的拓扑优化设计变量更清晰地反映了拓扑优化的本质.     

THE LAYOUT OPTIMIZATION OF STIFFENERS FOR PLATE-SHELL STRUCTURES

The plate-shell structures with stiffeners are widely used in a broad range of engineering structures. This study presents the layout optimization of stiffeners. The minimum weight of stiffeners is taken as the objective function with the global stiffness constraint. In the layout optimization, the stiffeners should be placed at the locations with high strain energy/or stress. Conversely, elements of stiffeners with a small strain energy/or stress are considered to be used inefficiently and can be removed. Thus, to identify the element efficiency so that most inefficiently used elements of stiffeners can be removed, the element sensitivity of the strain energy of stiffeners is introduced, and a search criterion for locations of stiffeners is presented. The layout optimization approach is given for determining which elements of the stiffeners need to be kept or removed. In each iterative design, a high efficiency reanalysis approach is used to reduce the computational effort. The present approach is implemented for the layout optimization of stiffeners for a bunker loaded by the hydrostatic pressure. The numerical results show that the present approach is effective for dealing with layout optimization of stiffeners for plate-shell structures.     

基于拓扑描述函数的连续体结构拓扑优化方法

提出了一种利用拓扑描述函数(TDF)作为拓扑设计变量求解连续体结构拓扑优化问题 的新方法. 优化问题的目标函数是结构的整体柔顺性，约束条件为对于可利用材料的体积限 制. 这种方法不仅可以消除拓扑优化中经常出现的棋盘格式等数值不稳定现象，而且能够有 效地抑制传统算法处理此类优化问题时所引发的边界扩散效应. 与其它的基于水平集描述函 数的拓扑优化方法相比，所提出的算法不仅无需求解控制水平集函数演化的双曲守恒方 程，而且合理地考虑了目标函数的拓扑导数信息，因而使得算法的计算效率有了显著的提高.     

狭长结构拓扑优化

通常的拓扑优化是在给定区域内，通过设计材料分布实现结构拓扑形式优化。对于设计区域的长和宽相近的平面问题，现行的方法可得到清晰的拓扑。但是，狭长结构的设计域具有大的长宽比。为了保证基结构包含足够多的拓扑形式，宽度方向要求有一定量的有限元分割，从而导致整体网格数和设计变量多、问题求解困难。本文提出了通过基本结构拼装的狭长结构拓扑优化方法，建立了以最小平均柔顺性密度为目标、同时设计材料分布和设计域几何尺度的基本结构的拓扑优化问题的数学提法和求解方法。利用所提出的问题提法和求解方法，设计了狭长悬臂梁的拓扑形式，讨论了危险截面的弯矩与剪力的相对值以及材料体积约束对拓扑形式的影响。数值结果表明，不同的弯矩与剪力的相对数值对应不同的拓扑形式，随着相对数值的增加，梁的拓扑形式由类桁架结构逐渐变成竖直立板加强的框架式结构。     

基于模板的子结构多分辨率拓扑优化

多分辨率拓扑优化(multi-resolution topology optimization, MTOP)方法将有限元网格和密度网格解耦, 采用较粗的网格(超单元)进行有限元分析, 从而大大降低了拓扑优化过程中的结构分析成本. 但MTOP方法每次迭代都需要根据超单元内的平均密度计算有限元单刚, 不仅精度不够且在过滤半径较小的情况容易出现棋盘格现象和QR模式. 为解决相应问题, 本文将超单元视为子结构, 通过静态凝聚得到超单元刚度阵, 并进一步根据拓扑优化过程中子结构的密度分布特征组建了其模板库, 从而省去了超单元单刚的重复计算, 显著提高了MTOP方法的分析精度, 有效抑制了数值不稳定现象.      

基于拓扑优化的结构弹性成像方法

弹性模量是工程材料重要的性能参数, 可以衡量物体抵抗弹性变形的能力. 弹性成像是一种通过弹性模量表征生物体组织物理特性的医学成像方法. 为了将弹性成像应用于机械装备结构的缺陷识别, 提高弹性成像的局部表征和全局识别能力, 提出一种基于拓扑优化的结构弹性成像方法. 受拓扑优化理论启发, 采用结构离散单元的相对密度(弹性模量系数)作为弹性成像参数来表征损伤程度, 建立成像参数与弹性模量的插值模型, 基于有限元模型构建损伤表征、结构模型与物理响应的映射关系. 以损伤结构和无损结构位移响应的最小二乘为目标函数, 以成像参数上下限为约束, 建立结构弹性成像的优化模型. 以伴随法推导弹性成像问题的灵敏度, 并详细给出了弹性成像反演的数值实施方式. 二维悬臂梁和米歇尔梁算例表明, 本文提出的基于拓扑优化的弹性成像方法无需先验损伤信息, 可有效实现均质/非均质、单/多缺陷结构的弹性成像, 且弹性成像结果不依赖于特定的边界条件, 进一步将弹性成像方法扩展至三维悬臂梁问题验证了其通用性.      

基于偶应力模型的连续体结构拓扑优化设计

经典连续介质理论不包含材料尺度参数,因而基于经典理论的结构拓扑优化无法显现尺度效应.本文在偶应力理论的框架下,构造了四节点四边形离散偶应力单元,将传统的SIMP方法推广至偶应力介质.结果表明,在以结构的最大刚度为目标的设计中,偶应力介质的最优结果取决于宏观结构尺寸与材料微结构尺寸(或者特征长度)的比值,最优结果具有明显的尺度效应,具体为,二者比值较大将产生与传统理论相似的结构,而二者比值相当则产生独特的偶应力主导的结构.     

基于类桁架连续体的结构拓扑优化方法与应用

以各向异性连续体为基结构,采用类桁架连续体材料模型进行结构拓扑优化。以材料在结点位置的密度和方向作为优化设计变量,使材料在设计域内连续分布。并以此建立材料的弹性矩阵和刚度矩阵。优化过程没有抑制中间密度,这从根本上避免了许多拓扑优化方法普遍存在的单元铰接、棋盘格现象以及单元依赖性等数值不稳定问题。采用满应力准则法,借助有限元结构分析,经过少量迭代,建立优化的材料连续分布场,即类桁架连续体结构。由于首先建立的拓扑优化结构是各向异性连续体,从而得到更大优化空间。然后可以结合工程实际需要将其转化为离散的拓扑优化杆系结构。最后,以1个经典Michell桁架和3种形式的拱桥为数值算例,演示了其结构拓扑优化过程。     

基于拓扑描述函数的特定性能复合材料设计

提出了一种基于拓扑描述函数进行特定性能复合材料设计的新方法. 采用拓扑描 述函数作为设计变量,把复合材料微结构的设计问题转化为一个在周期性单胞上的拓扑优 化问题. 拓扑描述函数以及相应正则化机制的引入不仅可以有效消除棋盘格式等数值不稳定 现象,而且能够有效地抑制传统算法处理此类优化问题时所引发的边界扩散效应. 数值结果 表明所提出的方法可以稳定高效地实现具有特定性能的复合材料微结构设计.     

传热结构的多目标拓扑优化设计研究

深入分析了传热结构多目标拓扑优化设计中的几个关键问题。提出了基于结构柔度最小化和结构散热弱度最小化的多目标拓扑优化设计方法,建立了传热结构的多目标拓扑优化设计模型,推导了传热结构多目标拓扑优化中用于迭代分析求解的优化准则算法和敏度分析方程。通过数值计算验证了理论和算法的有效性。