基于拓扑描述函数的结构拓扑优化设计

提出了一种基于水平集方法的结构刚度拓扑优化设计方法.该方法将结构的边界隐式地嵌入到一个高一维标量函数的零水平集模型中,通过一个Hamilton-Jacobi类型的偏微分方程来控制水平集函数的动态运动,从而间接地实现结构边界拓扑和形状的动态演化.偏微分方程中的法向运动速度依据优化目标函数的形状敏度分析结果建立.用有限元法和有限差分法相结合的方法分别实现弹性平衡方程和Hamilton-Jacobi方程的数值计算,并通过一个典型算例证明所研究方法的有效性.     

结合拓扑分析进行平面连续体拓扑优化

避免目前平面连续体结构拓扑化过程中经常出现的单元铰接以及“棋盘格”等现象,研究了边疆体结构拓扑优化过程的拓扑分析方法,以及在计算机上实现的简便算法,根据代数拓扑理论,单元及连续体的边 作为1－复形进行运算,利用图论中的邻接向量概念,在计算机上实现了结构的拓扑描述及在扑运算,得到了结构在拓扑演化过程吵的拓扑特性,方法简单,可靠,在一定的拓扑约束下,根据应力分析结果,采用删除单元,单元退化,移动节点等方法,可以用较少单元得到更为满意的结果,提高计算效率,为演示方法的有效性,给出几个包括常见经典问题的解答。     

基于水平集演化的结构拓扑优化解分析

针对界面力的大小、作用的位置以及部分给定位移的结构边界始终保持不变的要求,以工程技术人员易懂的方式,导出了基于水平集演化的结构拓扑优化问题的最佳解的必要条件,并构建了相应的法向速度场,研究了由该法向速度场导出的序列解的收敛特性.     

基于水平集带方法的柔顺机构拓扑优化研究

水平集方法在拓扑优化问题中采用隐式函数的零水平集描述结构边界,由于可以方便的表达结构拓扑变化并使结构边界保持清晰和光滑的特性,水平集方法很快成为拓扑优化领域的重要方法之一。但是由于水平集方法在优化过程中存在拓扑变化的不连续性,容易出现数值不稳定、初始设计依赖性等问题。近年来水平集带方法的提出可以有效改善这一现象,成为提升水平集方法拓扑表达能力的重要手段。本文将水平集带引入到参数化水平集拓扑优化方法中,并对其在柔顺机构优化设计问题中的应用开展研究。水平集带方法在水平集函数的零水平集附近引入水平集带区域,采用水平集函数插值可以得到带宽范围内[0,1]区间连续分布的材料密度,并在优化过程中通过逐渐减小水平集带的宽度使带宽范围内的材料密度逐渐收敛至0-1分布。该方法结合了变密度法的优势,使优化过程中材料密度变化保持连续,可以提升参数化水平集方法的稳定性,得到更优的目标函数值,并有效改善水平集方法的初始设计依赖性问题。本文通过多个柔顺机构的拓扑优化算例从不同初始设计、不规则设计域及几何非线性等多方面分析和验证了该方法的有效性,计算结果表明该方法对面向实际工程的复杂设计问题具有较好的适用性。     

基于边界标记的目标形状描述方法及其应用

利用相对于重心的距离展开函数,研究一种基于边界标记的运动目标的形状描述方法,该方法既能解决运动目标的平移、缩放和旋转不变性,又能很好地描述形状复杂的运动目标(存在空洞、边界不规则等);在利用运动的合成和分解、运动相对性原理等物体运动学规律的基础上,还可以很好地实现运动目标的碰撞预测。仿真实验表明,该方法能够有效预测两个具有不同速度和不同方向的运动物体是否发生碰撞。     

水平集方法及其在柔顺机构拓扑优化中的应用

由于具有跟踪拓扑结构变化、优化边界清晰光滑等优点,水平集方法作为一种新颖的机构拓扑优化方法近来受到了重视.文中首先讨论了水平集方法中Hamilton -J acobi 方程的求解、水平集函数的重新初始化、速度场扩展等出现的问题.在此基础上,给出了应用逆风差分格式求解Hamilton-Jacobi 方程的数值方法,并采用改进的符号函数有效解决了数值的不稳定问题,提出的快速扫描法可以对速度场进行有效扩展.最后,建立了基于水平集方法的柔顺机构拓扑优化模型,利用水平集法对反位移柔顺机构进行了拓扑优化设计.     

面向车身结构轻量化设计的水平集拓扑优化

提出了一种基于水平集拓扑优化的车身结构轻量化研究方法,该方法非常适合于处理车身结构设计中大量存在的多孔连续性结构体的拓扑优化.运用构造的基于水平集的数值方法,对车身近似二维的典型结构件发动机罩内板进行拓扑优化.结果表明,基于水平集的拓扑优化方法应用于车身结构轻量化研究是可行和有效的.     

基于频率约束的连续体拓扑优化方法的研究

基于有限元方法,探讨了单元对系统特征频率的敏感度分析方法,得到了对系统特征频率贡献最小单元的敏感度计算公式.建立了以第1阶固有频率为约束,以结构件质量最小为目标函数的优化模型.在算例中通过对结构件进行有限元模态分析和试验模态分析,保证了模型的正确性.在分析的基础上,根据结构设计的要求,采用Optistruct对结构件进行了拓扑优化.通过拓扑优化,在理想状况下,结构件的质量大幅度地减小,获得了满足设计要求的结构件材料的重新分布图.     

基于RAMP模型的ICM连续体拓扑优化方法

基于RAMP插值函数和独立连续映射(ICM)法,提出了一个新的拓扑优化模型. 模型采用不同参数RAMP插值函数对单元体积和单元刚度阵进行过滤识别. 与SIMP插值函数下的ICM拓扑优化模型相比,仅一、二阶导数表达式不同,拓展了优化建模方法并保证了优化求解算法的一致性. 通过拓扑优化数值算例对不同模型参数下的拓扑优化结果进行了对比分析. 结果表明,该方法适用于连续体拓扑优化建模.     

基于水平集方法的传动带轮拓扑优化设计

为了使扫路车传动带轮在轻量化下加强静态刚度及提升抑制外界激励的能力,将基于水平集方法的拓扑优化技术应用到传动带轮的结构设计中。依据传动带轮的真实工况条件,利用HyperMesh对传动带轮进行有限元前处理,以目标函数选择小型扫路车主动带轮具有的刚度值最大化,约束条件为结构的体积比,对其进行水平集方法的拓扑优化设计,获得最优的主动带轮结构排布。结果表明,该传动带轮的静态刚度得到了一定的提升且消除应力集中现象。     

结构拓扑优化中水平集方法的快速初始化研究

水平集方法是求解结构拓扑优化问题中的一种有效方法,该方法主要缺陷是每隔一定时间需要重新初始化水平集函数.因此,本文提出了一种基于偏微分方程和快速步进法的初始化算法.所提出的算法能够区分任意形状的闭合曲线或曲面的内外部,改进了以往初始化算法的数值不稳定缺陷,从而使水平集方法的计算效率和稳定性有了显著的提高.最后,通过算例验证了该算法的有效性.     

基于杂交元和变密度法的连续体结构拓扑优化设计

将杂交元推广于结构拓扑优化设计,推导了拓扑优化中数值计算和敏度分析的基本方程,对等参元和杂交元的拓扑优化结果进行了对照,最后的优化布局表明：使用杂交元能得到较好的拓扑优化结果,再实施过滤技术,优化结果会更加精致。杂交元不仅能提供更高精度的拓扑优化结果,而且还能进一步克服等参元难免的棋盘格式问题。     

用三角形单元建立拓扑优化类桁架连续体

为克服用矩形单元划分不规则区域的困难,使得结点和单元的分布可控性好,采用三角形常应变单元建立拓扑优化的类桁架连续体.以杆件在结点位置的方向和密度作为设计变量,采用优化准则法进行优化.在迭代过程中,将杆件的方向调整到主应力方向,根据主应力方向的应变调整杆件的密度.通过对单元进行局部加密,能够明显改善杆件汇交点处的拓扑优化结果.算例表明,方法是合理的、有效的.     

基于影响区域节点密度插值的结构拓扑优化方法

变密度法是结构拓扑优化中一种常用的处理方法,但在优化过程中会出现棋盘格、网格依赖性、灰度单元等数值不稳定现象.为解决单元变密度法中出现的棋盘格问题,在优化过程中引入节点密度作为设计变量.在提出基于影响区域节点密度插值优化方法的同时,给出了一种基于等密度线的后处理方法.计算结果表明该方法在消除棋盘格现象的同时,处理了网格依赖性问题,并消除了结果中的灰度单元现象.     

不同边界对梁结构的形状拓扑优化及对比

本文讲述了结构优化设计的必要性,并介绍了主要优化方法和了常用的拓扑优化方法。基于均匀化拓扑优化方法,建立了以体积为目标函数,在不同边界下,梁结构的不同布局的拓扑优化模型。借助于ANSYS软件平台,利用APDL语言实现了研究所运用的优化算法,数值算例验证了该方法的可行性和有效性,减少了设计变量的数目,提高了求解效率。     

SIMP拓扑优化的拉压杆模型研究

采用SIMP应变能最小化的优化准则方法,对基于拓扑优化技术建立拉压杆模型的设计流程进行了深入研究.并对基于SIMP法拓扑优化建立拉压杆模型的影响因素进行了系统研究,总结出将最优拓扑转化为构件拉压杆模型的原则.为验证其最优性,对一简支开洞深梁建立了多种拉压杆模型,并与基于SIMP法的拓扑优化建立的拉压杆模型,通过承载能力和有效系数进行方案的比选.研究结果表明基于SIMP拓扑优化的拉压杆模型应变能和钢筋体积比最小,而承载能力较大.     

连续体结构拓扑优化的过滤变密度法

为了解决经典变密度法存在的灰度单元收敛过慢以及优化结果灰度单元过多问题,引入带灰度过滤函数的变密度法模型.根据过滤函数的性质,给出了2个带可调参数的过滤函数模型.通过经典MBB梁优化算例,比较过滤函数对灰度问题的改善效果,分析了参数对优化目标的影响并给出了合理的参数选择模式.计算结果表明了此方法的合理性和有效性.带灰度过滤函数的变密度法一方面使得优化结果具有较好的0—1清晰性;另一方面,过滤函数加快了灰度单元的收敛速度,从而减少了优化收敛所需的迭代次数.     

基于非经典逻辑的拓扑及其应用

本文给出了基于非经典逻辑的拓扑的一个统一的框架，综述了作者及其合作者近年来在此课题上所取得的一系列结果，指出了这些结果在其它一些课题中的应用及进一步的发展方向。     

基于水平差集的多精度图像表示及绘制

提出了一种图像的非线性尺度空间表示方法，并将其应用于时间要求严格的场景绘制。首先把图像分解为水平差集，对水平差集的连通分支赋予一个测度，然后根据测度从大到小对所有水平差集的所有连通分支进行排序。绘制进根据所排序依次将连通分支显示出来，根据时间的限制， 显示的将是不同层次细节的图像。这种表示方法具有保形、保对比度的特点。最后，给出了实验结果，并探讨了此方法的局限性及改进方向。