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...     

形状优化设计的一个方法—带参数的状态空间可行方向法

本文用状态变量描述结构的性态约束,用参变量描述结构几何区域由形状设计变量的变化所产生的增量场,提高了敏度分析的计算效率,弥补了用有限差分法计算敏度的不足,构造了带参数的状态空间可行方向法,用来解平面应力(应变)结构形状优化设计问题,对所算例题,只要一、二次迭代分析,就可取得满意结果,附录给出了几个导数的表示。     

复合材料周期结构数学均匀化方法的一种新型单胞边界条件

数学均匀化方法是计算周期复合材料结构的有效方法之一,单胞边界条件施加的合理性直接决定了影响函数控制方程的计算效率和精度,进而影响均匀化弹性参数和摄动位移的计算精度.本文首先将单胞影响函数作为虚拟位移处理,给出了单胞在结构中真实的边界条件,结果表明,四边固支适合作为二维结构单胞边界条件;其次,针对二维结构提出了超单胞周期边界条件,有效提高了影响函数的计算精度,并使用与虚拟位移相对应的虚拟势能泛函验证超单胞周期边界条件的有效性;最后,利用数值分析验证多尺度渐进展开方法的计算精度,强调了二阶摄动的必要性.     

材料物性参数识别的梯度正则化方法

本文对梯度正则化方法（Ｇｒａｄｉｅｎｔ－Ｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）作了进一步的研究,给出一种建立了梯度正则化迭代算法和选择正参数的简明实用方法。文中椭圆算子方程参数识别算例不仅说明了ＧＲ法具有广泛的适应性和一定的抗噪声能力,而且收敛速度较快,具有较大的收敛范围。     

弹性接触问题的形状优化设计方法

设计模型复杂和结构的高度非线性等问题使得目前结构优化技术中很少涉及接触问题。面向对象的有限元法利用了面向对象编程的优点，有效地提高了编程的效率，并便于程序的扩充。在Visual C 软件平台上，开发编制了面向对象的有限元法程序，并对含接触问题的结构进行形状优化设计，重点推导并给出了含接触问题有限元法的灵敏度全解析分析的表达式，包括位移和应力的灵敏度分析、接触条件的灵敏度分析及相应的边界支配方程等。最后通过算例，验证了所提出的优化方法的正确性。     

基于物理的变形曲线在结构形状优化中的应用

用各向异性模型定义NURBS曲线的变形能,基于所提出的变形能模型,用有限元法对NURBS曲线表达的设计边界进行模态计算,然后,将设计边界用模态向量的线性组合参数化表示。将这种基于边界特征向量的几何形状表示方法应用于优化参数定义．提出了一种适用于结构形状优化的自适应几何精化方法,它有效地将户型有限元分析、优化方法和设计边界的形状表达集成在一起。     

结构形状优化设计数值方法的研究和应用

本文论述了连续体结构形状优化设计数值方法的研究和应用进展,讨论了结构模型化、灵敏度分析、优化方法改进、优化实用软件开发以及同CAD技术相结合等问题,介绍了在结构优化设计软件MCADS中采用的方法,并通过工程实例说明了结构形状优化设计的应用及其价值。     

桁架形状优化设计的模拟退火算法

针对桁架形状优化问题,提出了一种改进的模拟退火算法．在该算法中提高了计算精度、计算效率和通用性;针对桁架形状优化设计,采用多目标规划的思想,将离散变量优化和连续变量优化结合起来．数值算例验证了改进模拟退火算法的可行性和有效性．     

复合材料周期性线弹性微结构的拓扑优化设计

提出复合材料周期性线弹性微结构拓扑优化设计的模型.模型1设计具有极值弹性特性的复合材料,模型2设计多工况最刚微结构单胞.通过该模型和均匀化技术可以获得优化的微结构单胞,进而改善或者得到最优宏观特性的复合材料.为了便于制造和应用,用胞体材料而不是多相材料来得到复合材料的极值弹性特性和最大刚度.优化结果表明,该模型与数值方法相结合可以有效地实现微结构的拓扑优化设计.     

优化设计中梁截面参数间函数关系的形状乘子法

提出了处理优化设计中梁截面参数间函数关系的形状乘子法。这种方法可以适用于各种复杂的梁截面，并且灵活地运用在含有梁截面的优化设计中。利用这种方法可以使含梁结构的优化更广泛地运用到工程实际问题中。     

基于拓扑与形状优化的小型化金属天线设计方法

天线小型化设计需要基于先进的设计方法,基于拓扑优化的设计往往存在灰度单元,因此设计结果无法直接应用,需要进一步规整设计。而对于电磁金属结构,粗糙的规整方法会引起结构性能的很大变化以致偏离最优结果。提出一种拓扑优化和形状优化相结合的方法,用于金属天线结构的小型化设计。该方法通过拓扑优化获得金属天线结构的概念构型,进而利用形状优化对概念构型进行边界规整和精细化设计。形状优化方法采用多控制点贝塞尔曲线描述拓扑概念构型,通过贝塞尔曲线控制点的移动实现天线构型的调控。给出了贝塞尔曲线控制点的设置原则,基于拓扑优化得到场量分布结果,利用较少的贝塞尔曲线控制点实现天线拓扑构型结构特征的有效调控。该方法可以获得无灰度单元残留的拓扑结果,同时可有效避免密度阈值规整方法中天线性能改变的问题,并且获得的拓扑构型边界光滑。数值算例表明拓扑优化和形状优化相结合方法的有效性。此外,该方法可拓展到其他类型电磁器件的优化设计中。     

基于Kriging代理模型的结构形状优化方法研究

建立了一种进行结构形状优化的工程方法。该方法利用试验设计法选取位置变量样本点,并对各个样本点对应的结构进行尺寸优化,然后根据样本点和尺寸优化结果建立Kriging代理模型,再利用遗传算法求出位置变量最优解,进而得到结构最优解。最后进行了15杆平面拱式桁架、悬臂梁和25杆空间桁架三个形状优化算例,算例分析结果表明:该方法思路清晰、适应性强、优化效果明显,具有较大的工程应用价值。     

形状记忆合金结构拓扑优化设计方法研究

形状记忆合金由于其优良的力学特性得到了广泛关注,并形成了一系列具有变革性的创新应用.为了充分提升形状记忆合金结构的力学性能,提出了一种基于实体各向同性材料惩罚模型SIMP (Solid Isotropic Materi-al with Penalization)的形状记忆合金结构拓扑优化方法.基于ZM宏观唯象本构模型,考虑形状记忆合金材料特性,对拓扑优化过程中引入的中间密度材料的奥氏体和马氏体弹性模量以及相变转变应力进行插值.同时,考虑形状记忆合金本身的材料非线性和结构在大变形下的几何非线性效应,以获得准确的力学响应.采用三密度场法来避免最终设计结果出现的棋盘格现象、网格依赖性和大量中间密度单元.利用超单元法来改善由于低密度单元引起的非线性有限元分析过程的数值不稳定问题.利用伴随法对优化模型中的响应函数进行灵敏度分析.最后,通过二维和三维的数值算例验证了本文的优化设计方法,结果表明本文提出的拓扑优化框架能够对预期性能的形状记忆合金结构方案进行求解.     

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。     

具有动应力和动位移约束的离散变量结构形状优化设计方法

讨论了动应力、动位移约束下离散变量状优化设计问题。首先用拟静力算法,将结构惯性力极值作为静载荷施加到结构上,求得结构的动位移和动内力,然后将考虑动应力约束和动作移约束的离散变量结构优化设计问题化为静应力和静位移约束的优化问题。在求解过程中,将单元内力作了一阶近似,并将多约束问题转化为单约束问题,然后利用两类变量统一考虑的离散变量结构形状优化设计的综合算法进行求解。     

基于综合非线性优化方法的倒张型悬索桥非线性优化设计

提出随机优化、零阶优化和一阶优化相结合的综合非线性优化方法,并通过对ANSYS程序的二次开发编制全面优化设计和非线性有限元分析的综合辅助程序,从而对倒张型悬索桥进行非线性优化设计,以更合理地确定倒张型悬索桥设计中的关键因素,最终使倒张型悬索桥的受力和变形达到均匀合理的状态,以利于实际工程设计和应用.从优化设计前后的对比可以看出,本文的综合非线性优化方法和综合辅助程序简单有效,优化的效果显著.     

平台框架设计中刚度的软件计算

以卡氏定理为理论基础,对平台框架类型及其截面形状用matlab进行了软件编写工作.通过平台框架设计的参数化、模块化,实现了框架刚度的最优化设计.应用该软件对某型号产品的平台框架类型和截面形状进行了优选搭配,找出了符合整体设计要求的最优化的搭配组合;另外,该软件还可以给出不同参数对刚度和自振频率的影响结果,实现了设计中的特征尺寸、关键尺寸的优化设计.该软件的应用及其结果表明:该软件实现了平台框架设计的参数化、模块化;能够对设计起到优化的作用;并可以一定程度上缩短设计周期.     

A method to carry out shape optimization with a large number of design variables

A new method for shape optimization with relatively large number of design variables is proposed. It is well known that gradient‐based methods converge to a local optimum. As a result, utilization of a richer design space does not necessarily lead to a better design. This is demonstrated via the design of an airfoil for maximum lift for Re = 1000 and α = 4° flow. The airfoil is represented by fourth‐order non‐uniform rational B‐splines, and the control points are used as design variables. Starting with a NACA0012 airfoil, it is found that the optimal airfoil obtained with 13 control points has far superior aerodynamic performance than the ones obtained with 39 and 61 control points. For effective utilization of a richer design space, it is proposed that the number of design variables be increased gradually. The method is demonstrated by designing high lift airfoils for Re = 1000 and 1 × 10⁴. The objective function is the maximization of the time‐averaged lift coefficient for α = 4°. The optimization cycle with 27 control points is initiated with the optimal airfoil obtained with 13 control points. The process is continued with gradual increase in the number of design variables. Beyond a certain number of control points, the optimization leads to a spontaneous appearance of corrugations on the upper surface of the airfoil. The corrugations are responsible for the generation of small vortices that add to the suction on the upper surface of the airfoil and lead to enhanced lift. A stabilized finite element method is used to solve the unsteady flow and adjoint equations. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于显式几何更新算法的地下管道自动形状优化

基于计算力学中的结构优化思想,应用一种新型的显式几何更新算法,自行编制C++程序,实现地下管道形状设计的自动优化。管道内的流体假设为牛顿不可压缩流,并考虑惯性项。优化区域主要为管道竖直方向和水平方向的过渡段。形状优化的设计变量是几何边界的有限元节点坐标,优化目标是实现流体黏性能耗散的最小化。优化过程基于形状梯度,即通过形状敏感度分析来求解目标函数相对于设计变量的偏导数。所使用的显式几何更新算法既可以通过网格清晰描述形状,也可以大范围地自动更新网格。详细介绍了地下管道自动形状优化过程的关键步骤。通过数值算例探讨了不同注入速度、密度和黏度对其最优形状的影响。