基于可靠性约束的热固耦合结构拓扑优化

考虑结构的物理参数、几何尺寸和载荷环境的不确定性,尤其是温度场的不稳定性,对热固耦合结构进行基于可靠性约束的拓扑优化设计.首先采用一次二阶矩法得到可靠性指标,并用可靠性指标反映参数不确定性的影响.然后分别以结构柔度最小化和机构输出位移最大化为目标函数,以可靠性指标为约束条件,建立了热固耦合拓扑优化数学模型.最后将伴随矩...     

基于差分进化与RBF神经网络的热工过程辨识

针对热工过程的非线性辨识问题,提出了一种基于差分进化算法(DE)的径向基函数神经网络(RBFNN)模型设计方法.该方法将DE算法的种群分解为几组并行的子种群,每组子种群对应于一类隐节点数相同的RBF网络.在RBFNN的学习过程中进行多子种群并行优化,从而实现RBF网络结构与参数的同时调整.算法可以利用热工对象的输入输出数据,自动设计出满足误差精度要求且结构较小的RBFNN模型.然后将该算法应用于热工对象的辨识,对于单输入单输出系统,得到的RBFNN模型只需1个隐节点.对于多输入单输出系统,RBF网络也仅需较少的隐层节点.仿真结果表明,用该方法设计的RBFNN模型结构简单,且辨识误差小,具有较好的泛化能力.     

导重法求解柔性机构多目标拓扑优化问题

柔性机构中为同时考虑结构的刚性和机构的柔性,研究结构整体柔度最小化和结构输出位移最大化的多目标拓扑优化设计方法.建立基于RAMP插值模型的多目标拓扑优化设计模型,采用伴随敏度分析法进行目标函数敏度分析.将导重法引入到柔性机构拓扑优化问题的求解中,推导出柔性机构多目标拓扑优化问题的迭代表达式.对柔性机构的典型算例进行拓扑优化计算,算例结果表明,基于RAMP插值模型结合导重法求解柔性机构多目标拓扑优化问题具有设计变量少、收敛速度快、优化效率高的特点,上述方法的结合为求解柔性机构多目标拓扑优化问题提供了一条新途径.     

Common-Refinement方法在三维流固耦合数值计算中误差分析与并行效率

本文成功实现了基于非匹配网格的三维Common-Refinement方法,可将其应用于离散后流体与弹性体的非重叠子区域之间的接触面,用于数值求解三维非定常流固耦合问题.首先,为了满足两者之间液体和弹性耦合界面间牵引力的平衡条件,本文系统研究了Common-Refinement方法的空间插值的准确性和可靠性.本文根据一系列的不同拓扑结构的网格划分方案,通过改流体和结构网格之间的网格匹配系数系统地评估Common-Refinement方法的准确性和精度,证明了Common-Refinement方法沿界面的流体和固体网格的数据传输具有稳定的二阶精度.进而将Common-Refinement方法应用于非定常流固耦合算例,研究了非定常计算中的误差累积以及Common-Refinement方法的并行效率.最后本文将本方法应用于三维标准的圆柱体-弹性板问题,并与文献中标准解进行了对比.求解结果证明了Common-Refinement方法在三维非定常流固耦合数值计算中能够保持全场二阶精度.     

基于可靠性的结构动态拓扑优化方法

实际工程结构设计往往在确定性范畴内进行,所得结构存在较大失效可能性.基于此,提出一种基于可靠性的连续体动态拓扑优化方法,将结构可靠性分析方法嵌套到连续体拓扑优化中.考虑了结构几何尺寸和材料体积的不确定性,并用高斯分布来度量.将结构可靠度作为约束嵌套到连续体拓扑优化中,属于二次嵌套优化问题,但计算效率低下,不适于工程应用.提出一种解耦策略将结构可靠性分析从连续体拓扑优化中解耦出来,使结构可靠性分析与动态拓扑优化为两个独立的优化循环,大大提高了计算效率.建立以结构基频最大为优化目标,满足一定体积约束和可靠度要求的优化问题,利用各向同性材料惩罚模型(SIMP)和移动渐进方法(MMA)求解该优化问题.所提方法可以得到满足不同可靠度要求的一系列最优结构,并用标准算例验证其有效性.     

应力约束下桁架结构拓扑优化的静定基法

对于从基结构出发的单工况应力约束下使桁架结构重量最轻的最优拓扑,必定是静定结构;对于多工况应力约束下桁架结构的最优拓扑大多数是静定结构。而对于超静定结构的求解,目前的方法多是转化为静定的基本结构来求解。由此,本文提出一种求解桁架拓扑优化问题的新分析方法——静定基法,给出了静定基法的基本思想和求解策略,用解析方法求解了单工况应力约束下的桁架拓扑优化问题,研究了多工况应力约束下最优拓扑为静定结构的桁架结构,给出了优化问题的精确解。算例表明了该方法的有效性和可行性。     

基于类桁架材料模型优化方法计算稳定性研究

推导了2相正交类桁架材料模型,建立了基于类桁架连续体材料模型的单工况和多工况应力约束拓扑优化方法.以杆件在结点位置的密度和方向为设计变量,在单工况下,采用满应力准则法优化杆件密度,将杆件方向与主应力方向对齐;在多工况下,采用方向刚度包络线拟合的方法,由各单工况优化结构导出.通过反复迭代形成类桁架连续体材料优化分布场,进而形成类桁架结构.通过3个经典算例,验证了不同有限单元网格密度和形状下该拓扑优化方法的稳定性,克服了各种拓扑优化普遍存在的单元依赖性.     

一种新的多输入多输出柔顺机构拓扑优化方法

针对多输入多输出柔顺机构的输出位移最大化拓扑优化问题,提出了一种新的拓扑优化求解方法.首先,引入柔顺度的小量变化约束函数来处理柔顺机构拓扑优化的病态载荷问题和类铰链问题.基于传统界限公式法思路,通过一个界限变量将多个输出位移最大化目标等效转化为多个约束条件,构建了一种新的多输入多输出柔顺机构拓扑优化的界限公式模型.然后...     

荷载工况多目标下钢筋混凝土深梁的拓扑拉压杆模型设计

为了提高钢筋混凝土深梁构件配筋设计方法的合理性,选用遗传演化结构优化算法,并延伸出荷载工况多目标下的应用方式,同时基于拓扑解构建拉压杆模型,衔接拓扑优化与工程设计环节,建立荷载工况多目标拓扑拉压杆模型。采用两个深梁数值算例验证了该模型的可行性和稳定性。从建立拉压杆模型的角度以其力学特性出发,将荷载工况多目标优化的拓扑解分别与各荷载工况单目标优化解、其弹性叠加结果,以及所有荷载工况共同作用下的单目标优化解进行比较,证实了新模型更契合深梁类构件的受力特性,具有更佳的全局寻优能力。荷载工况多目标遗传演化结构优化可以有效解决多目标优化中的病态荷载问题,依据其建立的拉压杆模型直观可行,可以为钢筋混凝土深梁设计提供参考。     

基于多物理场耦合的混凝土湿热变形数值模拟

为研究混凝土湿热耦合变形,基于混凝土微观组成结构特点,根据多物理场耦合作用和多孔介质湿热传输原理,建立了混凝土湿-热-力多物理场模型.并利用COMSOL数值仿真软件和提出的混凝土湿膨胀系数,在人机交互环境下,实现湿-热-力耦合数值求解.首先以Hundt试验为算例,验证了耦合模型和求解方法的可行性,然后利用该方法对某隧道混凝土湿热耦合变形进行了模拟计算.将多物理场耦合数值模拟结果与解析-有限元结合解法计算结果和现场光纤光栅监测结果对比表明,基于多物理场耦合的混凝土湿热耦合变形数值模拟更接近监测结果,更能反映实际物理过程且具备更好的通用性.     

考虑惯性载荷的多材料结构拓扑优化

基于导重法构建了惯性载荷作用下的多材料结构拓扑优化数学模型，在体积约束下使得其结构柔度最小.将多材料拓扑优化问题分解为一系列单材料拓扑优化问题，采用材料属性有理近似模型（Rational Approximation of Material Properties，RAMP）来表达密度与弹性模量间假定的非线性函数关系，利用导重法建立惯性载荷下设计变量的迭代表达式并通过数值算例验证导重法在考虑惯性载荷作用下多材料结构拓扑优化的有效性.算例结果表明：RAMP插值方法相比其他常用插值模型得到的拓扑构型更清晰，灰度单元更少，在算例1的对比中结构柔度最高降低了35.2%.受惯性载荷影响越大的设计区域其分布的材料弹性模量越大，且高模量密度比能够显著提升结构刚度.     

全电飞机电力系统多级可靠性分析与多目标优化设计方法

为了解决全电飞机电力系统对可靠性和安全性要求都较高的问题,本文提出了一种基于多级可靠性分析的全电飞机电力系统多目标优化设计方法。此方法首先将全电飞机中复杂的电力系统设计过程解耦为多级设计过程,每一级设计过程都在考虑成本、可靠性等指标的基础上建立一个非线性优化模型,然后利用层次分析法确定权重系数,将多目标优化问题转换为单目标优化问题,并将非线性模型线性化最终转化为01规划模型,通过求解该模型获得不同权重系数下对应的电力系统最优拓扑结构以及相应功率器件的额定功率。对不同权重系数下的设计结果分析得出：当可靠性指标权重较小时,全电飞机电力系统拓扑结构较为简单,同时电力系统总成本较低;当可靠性权重较大时,电力系统拓扑结构较为复杂但是成本较高。仿真结果表明,该方法能在成本、可靠性等指标中进行优化设计,体现出该方法在全电飞机电力系统设计初期具有较好的指导意义。     

多工况应力约束下连续体结构拓扑优化映射变换解法

针对多工况连续体结构拓扑优化常见模型中存在的目标函数非连续性 ,基于独立连续拓扑变量概念及映射变换方法 ,建立了多工况应力约束下连续体结构拓扑优化新的连续模型 .考虑多工况结构拓扑优化中“荷载病态”现象 ,提出应用荷载加权系数的单元删除准则及分层优化算法求解 .算例验证了本文方法的正确性和高效性     

基于坐标下降邻域选择的高斯图模型结构并行估计

在许多机器学习问题中,往往需要研究高维数据中各个特征之间的统计相关性.稀疏高斯图模型作为解决这一问题的有效方法之一,广泛应用于数据挖掘、生物信息、金融分析等应用问题中.由于模型参数量是数据维度的平方量级,基于高维数据的稀疏高斯图模型的参数估计一直是统计机器学习研究中的挑战性问题之一.提出了一种新颖的基于坐标下降优化的稀疏高斯图模型并行估计算法,其核心思想是根据高斯图模型结构估计等价于每个变量的稀疏近邻选择这一基本结论,采用坐标下降来求解每个近邻选择子问题.通过将样本矩阵进行分布式存储,在MPI(Message-Passing Interface)框架下实现了这些子问题的并行求解.实验结果表明,该算法具有良好的并行运算性能,在保证结构估计精度的同时,能够大幅度提升运算速度.     

平面电机散热器热流建模与尺寸-拓扑并行优化设计

为了提高平面电机水冷散热器热流性能,该文构建了散热器热流模型并开展了"结构尺寸-流道拓扑"并行优化设计.首先,构建了散热器3层热流模型,该模型囊括了盖板与流固混合层的流动/传热耦合效应以及散热器厚度方案对热流场的影响.其次,基于3层热流模型,引入孔隙度域来描述流道拓扑,构建了包含流道拓扑变量与层厚变量的连续伴随结构优化...     

一种新的考虑柔顺度要求的结构拓扑优化方法

为了解决拓扑优化分析计算量大和材料分布等问题,提出一种不影响算法收敛性的设计空间调整手段.针对体积约束和柔顺度最小的结构拓扑优化问题,采用变体积约束限的方法控制柔顺度变化的步长,然后,根据优化准则法,提出一种新的考虑柔顺度要求的结构拓扑优化方法.研究结果表明:该方法具有较高的求解效率,同时能够获得较好0～1分布特征的优化拓扑.     

杆、梁结构离散变量拓扑优化设计

在考虑断面面积和拓扑两类离散变量及其耦合关系的基础上,建立了离散变量拓扑优化设计的数学模型;该模型反映了拓扑优化问题的耦合优化本质,有效地避免了“极限应力”和“奇解”对拓扑优化问题的困扰;为求解上述数学模型,提出了“拟机率-网格搜索法”;用该法对包含两类变量的杆、梁结构进行了拓扑优化设计,收到了较好的效果。     

基于ABAQUS的多载荷工况结构拓扑优化设计研究

如何高效、准确的对拓扑优化问题进行求解是结构优化领域发展的重点.本文提出了一种以体积为约束的多载荷工况下柔顺度最小的优化方法.在优化迭代过程中,为使优化拓扑有较好的0-1分布特征,确保优化迭代中的结构非奇异及快速收敛,采用改变体积约束限和调整设计空间策略.基于导重法给出了结构拓扑求解算法,给出的算例证明该方法不仅迭代次数少而且求解效率高,具有清晰的0-1分布.     

缺失信息的主成份分析

关于缺失的信息的主成份分析已经受到越来越多学者的关注.针对此问题,文中提出了一个新模型.通过对原模型做等价变形,转化成可分凸规划.然后,考虑到其具有特殊结构,采用交替方向法求解.该方法的优点是可以充分利用问题的特殊结构,使得求解过程中每个子问题都具有显式解.仿真结果证明该方法与一些经典的一阶方法相比更加有效.     

热力耦合问题的拓扑优化算法

研究材料在热力耦合作用下的拓扑优化结构。基于固体各向同性惩罚法,建立材料热力耦合问题拓扑优化算法。基于Freefem++软件编写热力耦合问题的拓扑优化程序,并使用该程序计算了二维悬臂梁在热力耦合作用下的拓扑优化结构。