基于深度学习的跨分辨率结构拓扑优化设计方法

在传统拓扑优化设计中,随着结构单元增加,迭代计算过程消耗了大量的时间.本文提出了一种基于深度学习的方法来加速拓扑优化设计过程,缩短了结构拓扑优化设计的迭代过程,并生成了高分辨率拓扑优化结构.利用深度学习方法,在低分辨率中间构型与高分辨率拓扑构型之间创建高维映射关系,利用独立、连续和映射(ICM)方法建立深度学习网络所需...     

基于固定网格和拓扑导数的结构拓扑优化自适应泡泡法

为继承传统拓扑优化泡泡法变量少、精度高等优点,并克服其网格重划频繁、孔洞合并操作繁琐等不足,提出了一种基于固定网格和拓扑导数的自适应泡泡方法.该方法的主要特点是:(1)采用有限胞元固定网格分析方法计算结构力学响应,在优化过程中无需网格更新和重划分,就能保证较高的分析精度;(2)根据拓扑导数信息指导结构区域中孔洞的引入,不仅消除了优化结果对孔洞初始布局的依赖性,还能有效控制设计变量的数量;(3)引入拓扑导数阈值和孔洞影响区域新概念,实现了孔洞引入频次和位置的自适应调节,保证了拓扑优化过程的数值计算稳定性;(4)采用光滑变形隐式曲线描述孔洞边界,不仅设计参数少、变形能力强,而且便于处理孔洞间的融合/分离操作以及与固定网格分析方法的有机结合.理论分析和数值算例表明,改进后的自适应泡泡法能够消除传统泡泡法因采用拉格朗日网格和参数化B样条曲线模型而存在的实施困难,采用很少的设计变量就可获得边界光滑清晰的优化结果.      

基于遗传算法的复合材料细观结构拓扑优化设计

利用高精度通用单胞模型将复合材料的细观拓扑结构与宏观力学性能结合起来,采用遗传算法对复合材料的细观结构进行优化,发展了基于遗传算法的复合材料细观结构拓扑优化设计方法.以材料的宏观力学性能为优化目标,从随机的初始细观结构出发,对复合材料纤维体积百分比进行约束,经过迭代获得满足设计要求的代表性体积单元.在优化过程中,对遗传算法的交叉过程作了较大的改进,实现了复合材料细观拓扑结构的任意变化,提高了对可行域的搜索效率.分别以极限剪切模量和泊松比为优化目标,验证了所提出优化方法的正确性和有效性.     

基于固定网格和拓扑导数的结构拓扑优化自适应泡泡法

为继承传统拓扑优化泡泡法变量少、精度高等优点,并克服其网格重划频繁、孔洞合并操作繁琐等不足,提出了一种基于固定网格和拓扑导数的自适应泡泡方法.该方法的主要特点是:(1)采用有限胞元固定网格分析方法计算结构力学响应,在优化过程中无需网格更新和重划分,就能保证较高的分析精度;(2)根据拓扑导数信息指导结构区域中孔洞的引入,不仅消除了优化结果对孔洞初始布局的依赖性,还能有效控制设计变量的数量;(3)引入拓扑导数阈值和孔洞影响区域新概念,实现了孔洞引入频次和位置的自适应调节,保证了拓扑优化过程的数值计算稳定性;(4)采用光滑变形隐式曲线描述孔洞边界,不仅设计参数少、变形能力强,而且便于处理孔洞间的融合/分离操作以及与固定网格分析方法的有机结合.理论分析和数值算例表明,改进后的自适应泡泡法能够消除传统泡泡法因采用拉格朗日网格和参数化B样条曲线模型而存在的实施困难,采用很少的设计变量就可获得边界光滑清晰的优化结果.     

具有体积约束的连续体结构拓扑优化仿生方法

基于Wolff法则的连续体拓扑优化仿生方法是将待优化的结构被看作是一块遵从Wolff法则生长的骨骼,把寻找结构最优拓扑的过程比拟为骨骼的生长过程.为了解决具有非应变约束的连续体拓扑优化问题,引入浮动参考应变区间.该文以具有体积约束的最小柔顺性连续体为例,分析了浮动参考应变区间法的可行性,即在生长过程中,设计域内各点处的材料更新由当前参考应变区间确定,而参考应变区间的更新由当前结构体积率与约束体积率确定.数值结果表明该方法可行.     

人工智能在结构拓扑优化领域的现状与未来趋势

结构优化,特别是结构拓扑优化,受到学术界和工业界的广泛关注.通过发展不同的拓扑优化算法,实现了众多具有卓越力学、热学和声学等多学科性能的最优拓扑构型创新设计.然而传统的拓扑优化方法在处理大规模的拓扑优化问题的迭代过程中往往需要多次大规模有限元分析,面临巨大计算量的挑战.近年来,以机器学习为代表的人工智能方法的迅猛发展,...     

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.      

基于因子图导航的伪距故障检测与自适应隔离方法

为了实现城市峡谷、电磁扰动等复杂场景下因子图优化导航的故障检测与自适应融合,提出了一种基于因子图优化的综合利用惯性导航系统和全球卫星导航系统原始伪距信息的故障检测与自适应隔离方法.首先,结合惯性导航信息与全球卫星定位原始伪距进行导航系统故障检测,实现故障卫星伪距信息和故障惯性信息的有效定位;而后,基于故障检测结果针对因...     

基于自适应泡泡法的薄壳结构拓扑优化设计

为有效解决薄壳结构拓扑优化设计难题,并满足其对分析模型精度和优化结果质量的高要求,结合等几何壳体分析方法提出一种基于自适应泡泡法的新型拓扑优化设计框架.等几何分析技术在薄壳分析方面具有天然的优势:一方面可为薄壳结构建立起精确的NURBS分析模型,避免了模型转换操作及误差;另一方面还可保证待分析物理场的高阶连续性,无需设置转角自由度等.为了在给定壳面上实现结构的拓扑演化,借助NURBS曲面(即等几何分析中的薄壳中面)的映射关系,仅需在规则的二维参数区域内改变结构拓扑即可.鉴于此,采用自适应泡泡法在壳面参数区域内开展拓扑优化,该方法包含孔洞建模、孔洞引入和固定网格分析3个模块,其在当前工作中分别基于闭合B样条、拓扑导数理论和有限胞元法实现.其中,闭合B样条兼具参数和隐式两种表达形式,参数形式便于在CAD系统中直接生成精确的结构模型;隐式形式不仅便于开展孔洞的融合/分离操作,还能与有限胞元法有机结合以替代繁琐的修剪曲面分析方法.理论分析和数值算例表明,所提优化设计框架将复杂的薄壳结构拓扑优化问题转化为简单的二维结构拓扑优化问题,在保证足够分析精度的基础上使用相对很少的设计变量就可得到具有清晰...     

基于GPU并行计算的浅水波运动数值模拟

利用有限体积法求解描述水流运动的二维浅水方程组,模拟洪水波运动传播过程,并通过GPU并行计算技术对程序进行加速,建立了浅水运动高效模拟方法。数值模拟结果表明,基于本文提出的GPU并行策略以及通用并行计算架构(CUDA)支持,能够实现相比CPU单核心最高112倍的加速比,为利用单机实现快速洪水预测以及防灾减灾决策提供有效支撑。此外,对基于GPU并行计算的浅水模拟计算精度进行了论证,并对并行性能优化进行了分析。利用所建模型模拟了溃坝洪水在三维障碍物间的传播过程。     

平面膜结构拓扑优化的有无复合体方法

将作者对桁架在应力约束下结构拓扑优化的有无复合体模型发展到平面膜结构在应力、位移约束下结构拓扑优化的建模与求解。同时提出了该模型的有效解法,获得了令人满意的数值结果。本文工作表明独立连续拓扑变量的提出对于结构拓扑优化的研究是有意义的。     

A New Mathematical Model for Force Gravity Drainage in Fractured Porous Media

In force gas/oil gravity drainage process in fractured porous media, gas is flowing in both matrix and fractures leading to produce a finite gas pressure gradient. Consequently, viscous force plays an important role for displacing matrix oil toward fractures in addition to gravity force that is required to be modeled appropriately. A new analytical model for estimation of steady state oil saturation distribution with assumption of fixed gas pressure gradient throughout the matrix is presented. Moreover, based on some results of this analytical model a different numerical formulation is developed to predict the performance of oil production process. Comparison of the results obtained from this numerical model with the results of a conventional simulator demonstrates that the newly developed model can be applied with satisfactory accuracy. Numerical simulations show that the viscous displacement in fractured porous media can reduce the capillary threshold height, and thus it suggests the force gravity drainage as a favorable production mechanism when the matrix length is close to the threshold height.     

An Improvement on Modeling of Forced Gravity Drainage in Dual Porosity Simulations Using a New Matrix-Fracture Transfer Function

In fractured oil reservoirs, the gravity drainage mechanism has great potentials to higher oil recovery in comparison with other mechanisms. Recently, the forced gravity drainage assisted by gas injection has also been considered; however, there are few comprehensive studies in the literature. Dual porosity model, the most common approach for simulation of fractured reservoirs, uses transfer function concept to represent the fluid exchange between matrix and its neighborhood fractures. This study compares the results of different available transfer functions with those of fine grid simulations when forced gravity drainage contributes to oil production from a single matrix block. These comparisons can lead to a more sophisticated formulation including the interplay of capillary, gravity and viscous forces. As a result, a new matrix-fracture transfer function can be developed and its results can be tested against the results of fine-grid simulations. Moreover, the reliability of this model for simulation of forced gravity drainage has been demonstrated by performing some sensitivity analysis.     

基于“有无复合体”的应力约束下桁架和平面膜结构拓扑优化的统一模型

根据独立连续拓扑变量概念,建立了桁架和平面膜结构拓扑优化的有无复合体模型,从而不引入过滤函数实现拓扑变量在连续型和离散型之间的转换,推导了有无复合体杆单元的面积与膜单元的厚度与重量、单元刚度阵都是“有单元”和“无单元”相应量的线性组合,进而把这一线性关系延拓到许用应力,借助于有无复合体建立了在应力约束下骨架和连续体结构拓扑优化的统一模型,同时提出了求解这一模型的有效算法,获得了令人满意的计算结果。     

考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法

拓扑优化作为一种先进设计方法, 已被成功用于多个学科领域优化问题求解, 但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍, 如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等. 在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段. 在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中, 通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑, 包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性. 本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法. 所提方法继承了二者优势, 避免了各自缺点. 在该方法中, 首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据, 提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法. 其次, 通过引入组件的3个长度变量, 建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型. 最后, 以组件厚度变量为约束, 构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型. 采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性. 数值结果表明, 所提方法在无需额外约束的条件下, 仅通过组件厚度变量下限设置, 可实现整体结构的最小尺寸精确控制, 并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界.      

一种桁架结构智能生成与分析系统

建立了桁架结构的智能生成与分析系统,可以自动完成桁架结构的布局选型、 拓扑生成以及分析计算等系列过程. 主要通过结点布置和有选择的杆件连接实现结构的布局 选型,采用拓扑变化法完成结构的自动生成,并利用基内力阵进行结构的分析计算. 经算例 分析表明,该系统性能良好,使用方便,具有智能、自适应的特点,是辅助完成结构拓扑和 布局优化设计的有力工具之一.     

Detection of crack location using cracked beam element method for structural analysis

The local flexibility introduced by cracks changes the dynamic behavior of the structure and, by examining this change, crack position and magnitude can be identified. In order to model the structure for FEM analysis, a special finite element for a cracked Timoshenko beam is developed. Shape functions for rotational and translational displacements are used to obtain the consistent mass matrix for the cracked beam element. Effect of the crack on the stiffness matrix and consistent mass matrix is investigated. Proposed is a procedure for identifying cracks in structures using modal test data.     

The Complexity of Artificial Grammars

In experimental psychology, artificial grammars, generated by directed graphs, are used to test the ability of subjects to implicitly learn the structure of complex rules. We introduce the necessary notation and mathematics to view an artificial grammar as the sequence space of a dynamical system. The complexity of the artificial grammar is equated with the topological entropy of the dynamical system and is computed by finding the largest eigenvalue of an associated transition matrix. We develop the necessary mathematics and include relevant examples (one from the implicit learning literature) to show that topological entropy is easy to compute, well defined, and intuitive and, thereby, provides a quantitative measure of complexity that can be used to compare data across different implicit learning experiments.     

基于网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法

发展了一种基于有限元网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法,可在不改变设计域包络的情况下(如维持流型、艺术外观和附加功能等)对结构进行减重。首先,分别对二维问题和三维问题发展相应的有限元网格退化算法,并在刚度等效的意义上对网格进行重组,建立了具有杆元拓扑特征的有限元模型。其次,以全局种子网格的长度尺寸和杆元横截面积为优化变量,构造了域内双层驱动拓扑优化问题,得到具有最优体分比的杆元拓扑结构。数值算例表明,所提方法可获得新型式的结构拓扑优化方案,并可将结构拓扑优化理论推向工程化应用。     

Integration of topological modification within the modeling of multi-physics systems: Application to a Pogo-stick

The present work tackles the modeling of multi-physics systems applying a topological approach while proceeding with a new methodology using a topological modification to the structure of systems. Then the comparison with the Magos' methodology is made. Their common ground is the use of connectivity within systems. The comparison and analysis of the different types of modeling show the importance of the topological methodology through the integration of the topological modification to the topological structure of a multi-physics system. In order to validate this methodology, the case of Pogo-stick is studied. The first step consists in generating a topological graph of the system. Then the connectivity step takes into account the contact with the ground. During the last step of this research; the MGS language (Modeling of General System) is used to model the system through equations. Finally, the results are compared to those obtained by MODELICA. Therefore, this proposed methodology may be generalized to model multi-physics systems that can be considered as a set of local elements.