热结构稳态响应的耦合灵敏度分析方法

研究结构稳态热变形和热应力的灵敏度分析方法,给出了直接法和伴随法两种算法。考虑了温度场的耦合作用,在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数,在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数。对尺寸和形状两类设计变量的灵敏度分析算例,验证了本文方法的精度。伴随法在应用程序中的实现,为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法。     

热-应力耦合结构灵敏度分析方法

研究稳态／瞬态热传导灵敏度分析、以及热与机械荷载同时作用的热结构应力灵敏度分析问题。考虑了温度场随设计变量的变化及其对应力的影响,提出温度场与结构热应力耦合问题的灵敏度计算方法。特别指出了热－应力耦合灵敏度分析中温度场导数的影响, 说明了在热－应力耦合结构灵敏度分析中必须考虑耦合灵敏度。在应用软件系统JIFEX中实现了所提出的方法,数值算例验证了灵敏度算法的精度。     

频率响应位移幅值敏度分析的伴随法

频率响应位移幅值的敏度分析通常采用直接法,一次敏度分析只能计算出对一个设计变量的偏导数,这在设计变量很多的拓扑优化中因敏度分析计算量太大而显得不适用,本文推导了频率响应位移幅值敏度分析的伴随法,一次敏度分析可计算出对所有设计变量的偏导数,算例表明伴随法计算结果与直接法及差分法结果符合得很好,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.     

相变传热问题的灵敏度分析与优化设计方法

研究了相变传热问题的优化设计及其灵敏度分析方法. 在有限元-时间差分和等效热容 法求解相变温度场的基础上,提出了相变温度场对设计变量一阶灵敏度的计算方法,给出直 接法和伴随法两种计算格式并分析了它们的特点,建立了相变温度场优化的模型和算法,在有限元分析与优化设计软件JIFEX中实现了该方法. 数值算例表明了灵敏度计算的精度和优 化方法的有效性.     

热传导问题灵敏度分析的伴随法

在热传导灵敏度分析的直接法的研究基础上，进一步探讨了稳态和瞬态热传导问题灵敏度分析的伴随法.推导了伴随法的计算列式，对于瞬态热传导问题，研究了瞬态约束处理的关键点方法，并提出伴随方程的精细积分解法。算例表明，稳态问题灵敏度计算，伴随法与直接法的结果是一致的；瞬态问题灵敏度计算，两种方法的精度相当。     

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.     

形状设计灵敏度分析的改进的再生核质点法

基于物质导数概念和直接微分法,将再生核质点法应用于形状设计灵敏度分析（DSA）中。导出了基于无网格近似的灵敏度方程,特别强调了在考虑形状函数关于设计变量的物质导数时无网格方法与有限元法的不同。通过对RKPM形状函数及其物质导数进行矩式显式表述,提高了无网格方法的计算效率。对两个二维线弹性问题进行了位移灵敏度和应力灵敏度分析,计算结果与解析解吻合的很好;同时通过对通常的RKPM和改进的RKPM计算耗时的比较,显示了该方法不仅有效,而且可以显著地提高计算效率。     

重根特征向量导数计算的完备模态法

1 引言特征向量导数是结构动力优化分析和控制系统设计过程中很重要的参数;近些年来,在模型修正以及结构参数识别与诊断中也往往需要特征向量导数的信息:另外,特征向量导数还是“灵敏度分析”的一个重要部分.目前计算特征向量导数的部分方法有Fox(含改进Fox 法)、Nelson 法(含改进Nelson 法)、模态法和扰动迭代法.众所周知,求解特征向量导数的“支配方程”(K-λ_iM)(?)_(i,j)=(λ_iM_(?)+λ_(i,j)M-K_(?))(?)_i=g_i (1)的系数阵为亏秩阵;对于单根为亏秩1;对于m 重根就亏秩m.Fox 法和改进Fox 法是利用     

求解平面和轴对称热冲击问题的热权函数有限元法

根据三维通用权函数法的普遍表达式,给出了轴对称问题和平面问题热权函数法的基本公式.并利用刚度阵导数法,将热权函数法与有限元法直接耦合,给出了二维问题的热权函数有限元法计算格式.实例计算表明,该文给出的计算方法具有极高的计算效率和满意的工程应用精度.     

轴对称热冲击SIF过渡过程分析的热权函数法

热权函数法利用温度与热权函数的乘积的积分来直接计算热冲击过程中裂纹尖端的应力强度因子过渡过程。热权函数与时间τ无关,由于免除了对每一时刻τ所需作的有限元或边界元分析,计算过程大大简化,计算效率得到极大提高,本文将热权函数与有限元法直接耦合,给出了基于刚度阵导数法的轴对称问题的热权函数计算格式,实例计算表明,本文给出的热权函数计算格式具有满意的计算精度。     

采用包络-准则法优化考虑瞬态传热的薄板结构

刚度和强度是薄板结构的两个主要性能。在瞬态传热过程中,考虑热-力耦合,随时间和空间变化的非均匀温度场在结构中会引起热变形和热应力,温度场随时间变化的规律和空间分布依赖于板的厚度变化,进而影响板的刚度和强度。因此,考虑瞬态传热的薄板优化问题具有更强的非线性,更加难以求解。本文给出一种包络-准则方法处理这类结构优化问题。首先,针对外力荷载,进行一个结构柔顺性的优化设计;以这一设计为基础,通过瞬态热-力耦合分析及优化准则,计算多个时刻的优化设计变量并取其包络,对上述优化结果进行迭代修正,以消除瞬态温度场作用下较高的局部应力。优化算例表明,该方法对于考虑瞬态传热薄板优化问题有效。     

STUDY OF TOPOLOGY OPTIMIZATION FOR THERMO-STRUCTURAL COUPLING FIELD

A number of critical problems of topology optimization concerning the thermostructural coupling field are studied at length. The governing equations and topology optimization model for the thermal-structural coupling field are derived, with an adjoint method for sensitivity analysis of the thermo-structural coupling field proposed. The optimization algorithm for coupling field topology optimization is investigated and a flowchart of coupling field topology optimization presented. The theory and algorithms are implemented and verified by two numerical examples.     

广义变分原理的结构形状优化伴随法灵敏度分析

提出了一种利用伴随变量进行结构形状优化灵敏度分析的新方法. 基于广义变分原理， 考虑了形状优化中位移边界条件的变化对结构响应的影响. 新方法弥补了Arora 等人所提出的形状优化灵敏度分析变分原理中的缺陷，为采用伴随法进行灵敏度分析提供了 新的框架.     

热固耦合结构的拓扑优化设计研究

研究了热、固耦合场结构拓扑优化设计中的几个关键问题,建立了热、固两相耦合场问题的控制方程,建立了热、固耦合场结构的拓扑优化模型,用伴随矩阵方法研究了耦合场的敏度分析技术,研究了耦合场拓扑优化中的优化求解数值算法,通过数值算例验证了理论和算法的有效性．     

Robust design in aerodynamics using third‐order sensitivity analysis based on discrete adjoint. Application to quasi‐1D flows

In this paper, the second‐order second moment approach, coupled with an adjoint‐based steepest descent algorithm, for the solution of the so‐called robust design problem in aerodynamics is proposed. Because the objective function for the robust design problem comprises first‐order and second‐order sensitivity derivatives with respect to the environmental parameters, the application of a gradient‐based method , which requires the sensitivities of this function with respect to the design variables, calls for the computation of third‐order mixed derivatives. To compute these derivatives with the minimum CPU cost, a combination of the direct differentiation and the discrete adjoint variable method is proposed. This is presented for the first time in the relevant literature and is the most efficient among other possible schemes on condition that the design variables are much more than the environmental ones; this is definitely true in most engineering design problems. The proposed approach was used for the robust design of a duct, assuming a quasi‐1D flow model; the coordinates of the Bézier control points parameterizing the duct shape are used as design variables, whereas the outlet Mach number and the Darcy–Weisbach friction coefficient are used as environmental ones. The extension to 2D and 3D flow problems, after developing the corresponding direct differentiation and adjoint variable methods and software, is straightforward. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

特定方向"零膨胀"的最小柔顺性结构优化设计

工程中很多承载结构必须面对苛刻的温度变化工作环境,如卫星天线、太空照相机和电子器件等。剧烈的温度变化引起较大的热变形,造成仪器信号失真,精度下降;同时温度应力也会造成结构破坏甚至失效,因此零膨胀材料的研制备受关注。近年来国内外很多学者对此进行了研究,设计出具有特定等效膨胀系数的微结构,但考虑到制备工艺的限制,这类具有复杂微结构的材料制备起来比较困难,成本较高;同时这类材料一般不具备足够的刚度,难以满足承载性能的要求。本文基于结构优化设计技术,采用拓扑优化方法直接设计出具备较高的承载性能和特定方向变形较少受热载荷影响的结构。本文提出采用多目标优化的方法设计圆环结构,使其具有较高的刚度和在热载荷下圆环内表面具有较好的热几何稳定性。由于用单相材料无法同时满足高刚度和低热膨胀的要求,因此假设结构由两种不同的材料构成,用连续体拓扑优化的方法设计三相材料(两种实体材料MAT-I、MAT-II和空材料)在设计域上的最优分布,使结构满足设计要求。由对称性,设计域取为圆环的一个扇面,将设计域离散成有限元网格,每个单元具有两个设计变量:实体材料的体分比和MAT-I在实体材料中所占的体分比,采用伴随法进行灵敏度分析,用GCMMA方法求解此问题,采用体积守恒的Heaviside密度过滤函数保证获得清晰的最优拓扑构型以及避免棋盘格式的出现。通过两个数值算例,表明使用本文提出的多目标优化模型能够得到特定方向"零膨胀"同时具有一定刚度的结构设计,且这种宏观结构尺度上的两种材料组成的拓扑构型相对易于制造。     

Sensitivity analysis of the thermomechanical response of welded joints

A computational procedure is presented for evaluating the sensitivity coefficients of the thermomechanical response of welded structures. Uncoupled thermomechanical analysis, with transient thermal analysis and quasi-static mechanical analysis, is performed. A rate independent, small deformation thermo-elasto-plastic material model with temperature-dependent material properties is adopted in the study. The temperature field is assumed to be independent of the stresses and strains. The heat transfer equations emanating from a finite element semi-discretization are integrated using an implicit backward difference scheme to generate the time history of the temperatures. The mechanical response during welding is then calculated by solving a generalized plane strain problem. First- and second-order sensitivity coefficients of the thermal and mechanical response quantities (derivatives with respect to various thermomechanical parameters) are evaluated using a direct differentiation approach in conjunction with an automatic differentiation software facility. Numerical results are presented for a double fillet conventional welding of a stiffener and a base plate made of stainless steel AL-6XN material. Time histories of the response and sensitivity coefficients, and their spatial distributions at selected times are presented.