利用无网格法进行几何非线性热固耦合柔性机构拓扑优化设计

将无网格伽辽金法引入到拓扑优化中,利用其进行了几何非线性热固耦合柔性机构的优化设计研究.利用无网格法离散和求解了热固耦合场的控制方程.基于SIMP模型和无网格法,建立了柔性机构的优化模型,利用MMA方法求解.研究了基于无网格法的伴随敏度分析方法,并提出了解决拓扑结构出现不连续散乱点同题的敏度过滤方法.求解经典算例,表明本文方法的正确性和有效性.     

基于半隐式格式的水平集法连续体结构形状和拓扑优化方法

提出一种改进的基于水平集方法的结构拓扑优化方法.将半隐式的加性算子分裂方法(AOS)引入传统的水平集方程求解,使得原来的Hamilton-Jacobi偏微分方程摆脱了差分法中CFL条件对时间步长的严格限制,差分格式变得高效且稳定.在求解水平集方程过程中不用再对高维的水平集函数进行耗时的周期性的初始化,这样解决了传统水平集方法在优化过程中不能生成新孔的问题.通过典型算例验证了该文算法的有效性.     

基于双向演化的局部水平集组合算法用于拓扑优化

本文基于双向渐进结构优化(BESO)方法和局部水平集方法(LLSM),提出局部水平集组合算法,在拓扑优化中实现双向演化。为改进LLSM的孔洞成核能力,新算法以所提离散水平集函数为节点设计变量,拓扑导数为灵敏度,按照BESO优化准则进行双向演化得到稳定拓扑解。然后通过迭代求解距离正则化方程(DRE)来组合LLSM获得最终拓扑。在LLSM中,DRE用来代替重生成步骤,并构造条件稳定差分格式求解DRE。最终给出典型实例验证所提算法的收敛性和数值稳定性。     

基于无网格Galerkin方法的整体式柔性机构的多准则拓扑优化设计

基于一种新型的数值计算技术—无网格伽辽金法,提出了一种整体式柔性机构拓扑优化设计的新方法.利用移动最小二乘形函数和伽辽金的弱变分形式建立弹性问题的控制方程,用Lagrange乘子法增强本质边界条件.在优化问题中,同时综合考虑机构的柔性和结构的刚度要求,用折衷规划法建立了柔性机构拓扑优化的多准则优化模型,这样对于非凸的优化问题也能保证搜索到Pareto解集所有的有效解.基于SIMP密度函数惩罚模型和优化准则法,建立了一种设计变量的显式迭代格式.运用经典算例证明了文中方法的正确性和有效性.     

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.     

基于结构拓扑随机变异的水平集优化方法

基于结构拓扑导数的水平集优化方法,利用结构拓扑导数信息和通过不断减少结构体积的方式来确定需开孔的结构位置,需选用最大设计区域结构作为初始优化结构.该方法不适合求解结构体积等式约束的优化问题.为了解决上述问题和克服水平集方法不能在结构内产生新孔洞的困难,提出了一种基于结构拓扑随机变异的水平集优化方法.引进了以小概率随机方式进行结构拓扑变异的结构优化方案.设计了变异算子,讨论了提出方法的收敛性情况.最后,结合考虑结构最大设计区域限制的结构拓扑优化的水平集方法,建立了一套新的涉及结构柔顺度作为目标函数,体积作约束条件的水平集演化算法.给出的算例验证了该方法的正确性和有效性.     

柔性伸缩蒙皮支撑结构的多目标拓扑优化

针对柔性伸缩蒙皮支撑结构的多目标拓扑优化问题,分析了其实际应用中的优化对象及目标函数,提出使用六边形对设计域进行离散的方法,并建立离散模型与位矩阵的映射关系。采用基于位矩阵的NSGA-Ⅱ(Nondominated Sorting Genetic Algorithm Ⅱ)进行求解。优化过程中引入个体连通性分析以提高计算效率。通过对可行个体进行有限元分析,获得其目标值;使用罚函数法对不可行个体加以惩罚,最终得到一组互不支配的支撑结构。结果表明,本方法可为柔性伸缩蒙皮支撑结构的多目标拓扑优化问题提供可行、有效的解,也可用于求解其它二维多目标拓扑优化问题。     

考虑嵌入移动孔洞的多相材料布局优化

工程结构设计问题中经常需要预先嵌入一个或多个固定形状的孔洞以满足某些功能性或者制造性设计要求.为了有效求解这种带有嵌入可移动孔洞的多相材料连续体结构布局优化问题,通常需要同时优化这些嵌入孔洞的位置和方向及多相材料结构的拓扑构型,以改善结构的整体性能.为此,本文采用参数化的水平集函数描述嵌入孔洞的几何形状,并将定义多相材料结构拓扑的材料密度以及描述嵌入孔洞的位置和方向的几何参数视为所考虑优化问题的设计变量.为了避免由于孔洞移动造成的重新划分网格的繁琐及改善计算效率,使用平滑化的Heaviside函数将所有嵌入孔洞映射为固定网格上的密度场.同时,提出了一种在有限元水平上调用的类SIMP材料插值格式,用于优化问题的材料参数化,进而实现多相材料结构拓扑构型和嵌入孔洞位置和方向的同步优化.这种材料插值格式便于几何变量的解析灵敏度分析,使得当前的优化问题可以用基于梯度的优化算法求解.优化算例证明所提方法可以有效地处理带有多个嵌入孔洞的多相材料结构布局优化问题.      

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.      

基于拓扑描述函数的特定性能材料设计方法

研究了拓扑描述函数在材料设计中的应用,给出了一种基于拓扑描述函数的特定性能材料设计问题的提法和求解方法.将拓扑描述函数表示成含参数的基函数之和,将材料微结构拓扑优化问题转化为设计基函数描述参数的尺寸优化问题,使问题求解更方便.基于拓扑描述函数的方法可以准确确定设计域上任意点的材料分布,避免了变密度法常出现的棋盘效应、设计变量和有限元单元相关的缺点;与传统的水平集方法相比,其优化模型可以利用现有的优化方法求解,避免了差分法求偏微分方程.具有正泊松比和负泊松比的特定弹性性能材料的设计算例,说明了基于拓扑描述函数的材料设计方法的有效性.     

CONTINUUM TOPOLOGY OPTIMIZATION FOR MONOLITHIC COMPLIANT MECHANISMS OF MICRO-ACTUATORS

A multi-objective scheme for structural topology optimization of distributed compliant mechanisms of micro-actuators in MEMS condition is presented in this work, in which mechanical flexibility and structural stiffness are both considered as objective functions. The compliant micro-mechanism developed in this way can not only provide sufficient output work but also have sufficient rigidity to resist reaction forces and maintain its shape when holding the work-piece. A density filtering approach is also proposed to eliminate numerical instabilities such as checkerboards, mesh-dependency and one-node connected hinges occurring in resulting mechanisms. SIMP is used as the interpolation scheme to indicate the dependence of material modulus on element-regularized densities. The sequential convex programming method, such as the method of moving asymptotes (MMA), is used to solve the optimization problem. The validation of the presented methodologies is demonstrated by a typical numerical example.     

TOPOLOGY SYNTHESIS OF GEOMETRICALLY NONLINEAR COMPLIANT MECHANISMS USING MESHLESS METHODS

This paper presents a new method for topology optimization of geometrical nonlinear compliant mechanisms using the element-free Galerkin method （EFGM）. The EFGM is employed as an alternative scheme to numerically solve the state equations by fully taking advantage of its capability in dealing with large displacement problems. In the meshless method, the imposition of essential boundary conditions is also addressed. The popularly studied solid isotropic material with the penalization （SIMP） scheme is used to represent the nonlinear dependence between material properties and regularized discrete densities. The output displacement is regarded as the objective function and the adjoint method is applied to finding the sensitivity of the design functions. As a result, the optimization of compliant mechanisms is mathematically established as a nonlinear programming problem, to which the method of moving asymptotes （MMA） belonging to the sequential convex programming can be applied. The availability of the present method is finally demonstrated with several widely investigated numerical examples.     

结构及柔顺机构拓扑优化设计中的拓扑图提取

拓扑图提取是结构和柔顺机构拓扑优化设计中的重要课题, 然而, 基于有限元法的拓扑优化结果中常常出现棋盘格和中间密度单元, 这些问题直接影响着拓扑图的轮廓提取.并 指出棋盘格的消除、中间单元的取舍和拓扑图的轮廓提取是结构和柔顺机构拓扑图提取过程中的3个主要问题. 对拓扑优化中出现棋盘格和中间单元问题的原因及现有的解决方法进行了讨论. 对图像处理中的水平集方法、参数活动轮廓和边缘检测方法3种典型的轮廓提取方法也进行了讨论.      

基于节点密度的柔性机构的拓扑优化设计

针对连续体结构拓扑优化中出现的棋盘格式问题提出了一种新的以节点密度作为设计变量的优化方法,从而使设计区域内的密度场函数具有C0连续性。建立了以互能和应变能比值为目标函数的柔性机构拓扑优化数学模型,推导了基于节点密度的柔性机构敏度计算的解析表达式。应用节点密度法对典型算例进行了拓扑优化计算,计算结果表明不需要借助滤波处理,节点密度法就能够得到具有清晰拓扑结构的优化结果,真实地反映了机构的结构细节。     

A conservative local interface sharpening scheme for the constrained interpolation profile method

A conservative local interface sharpening scheme has been developed for the constrained interpolation profile method with the conservative semi‐Lagrangian scheme, because the conservative semi‐Lagrangian scheme does not feature a mechanism to control the interface thickness, thus causing an increase of numerical error with the advance of the time step. The proposed sharpening scheme is based on the conservative level set method proposed by Olsson and Kreiss. However, because their method can cause excessive deformation of the free‐surface in certain circumstances, we propose an improvement of the method by developing a local sharpening technique. Several advection tests are presented to assess the correctness of the advection and the improved interface sharpening scheme. This is followed by the validations of dam‐breaking flow and the rising bubble flows. The mass of the fluid is exactly conserved and the computed terminal velocity of the rising bubble agrees well with the experiments compared with other numerical methods such as the volume of fluid method (VOF), the front tracking method, and the level set method. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

A finite element formulation satisfying the discrete geometric conservation law based on averaged Jacobians

In this article, a new methodology for developing discrete geometric conservation law (DGCL) compliant formulations is presented. It is carried out in the context of the finite element method for general advective–diffusive systems on moving domains using an ALE scheme. There is an extensive literature about the impact of DGCL compliance on the stability and precision of time integration methods. In those articles, it has been proved that satisfying the DGCL is a necessary and sufficient condition for any ALE scheme to maintain on moving grids the nonlinear stability properties of its fixed‐grid counterpart. However, only a few works proposed a methodology for obtaining a compliant scheme. In this work, a DGCL compliant scheme based on an averaged ALE Jacobians formulation is obtained. This new formulation is applied to the θ family of time integration methods. In addition, an extension to the three‐point backward difference formula is given. With the aim to validate the averaged ALE Jacobians formulation, a set of numerical tests are performed. These tests include 2D and 3D diffusion problems with different mesh movements and the 2D compressible Navier–Stokes equations. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

航天器天线桁架结构多目标优化设计

针对有附加结构的卫星天线桁架结构,提出了一种实现结构多目标优化的综合设计方法。首先,探讨了附加结构刚度对桁架结构动力学特性的影响,以便建立精确的有限元模型,为进行优化设计奠定基础。之后,交替采用代理模型方法和人机交互方式进行结构拓扑构型设计。其中代理模型是采用优化拉丁超立方法进行试验设计,结合径向基函数近似方法生成的。最后,应用NSGA-II全局优化方法实现以重量最小化和频率最大化的多目标优化设计,并根据分层图定量可视化地从Pareto前端和Pareto最优解集中筛选最优设计方案。优化结果表明,相对于初始方案可以在基频几乎不变的情况下,重量减小29.66%。该方法有利于提高设计效率,降低全局优化的复杂度,同时能够得到满足设计要求的设计方案,适用于多目标结构优化设计。     

基于参数化水平集方法的微结构拓扑优化设计

相比于单一材料,复合材料具有轻质高强等优点,拓扑优化方法是设计复合材料的方法之一.本文采用改进的参数化水平集方法,更新了水平集迭代格式,并应用水平集带方法在优化过程中引入中间密度,使水平集方法与变密度法无缝结合以改善水平集方法的拓扑寻优能力,降低其初始设计依赖性.本文以最大化体积模量、剪切模量和负泊松比作为材料设计目标...