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.     

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-Jacobi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.     

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。     

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.     

拓扑空间中集合的外部描述及其应用

文章给出了拓扑空间中集合的外部概念，研究了外部的性质，并用外部刻画了拓扑空间映射的连续性。     

敏度分层过滤策略克服连续体拓扑优化荷载病态问题

针对工程结构中所承受载荷幅值之间相差多个数量级,使用传统拓扑优化方法所得结果中较小载荷传递路径消失的荷载病态现象,提出一种简单有效的敏度分层过滤策略.将各载荷以幅值大小进行分层,并计算各载荷对结构对应的应变能数值.在此基础上,引入比较判断系数和放大应变能影响系数,将各灵敏度以大小进行分层,对不同层次灵敏度进行不同的过滤以取得多载荷作用下最佳材料布局.本文敏度分层过滤策略是在Solid Isotropic Material with Penahiation(SIMP)框架下提出的,并使用Optimality Criteria(OC)方法进行求解.使用二维和三维算例验证了所提策略的有效性,表明该策略可以有效克服荷载病态现象,为结构设计中得到完整传力结构布局提供重要指导.     

应用类桁架模型的连续体拓扑优化方法

为了避免棋盘格、单元铰接等数值不稳定现象,研究了基于类桁架模型的连续体拓扑优化方法.将单元节点处材料密度的大小和方向作为设计变量,采用满应力优化准则对材料密度大小进行优化.为了形成带孔洞的匀质连续体,对设计变量增加了上下限约束,剔除密度低于一定下限的节点,限制节点密度.算例结果表明:不需要进一步处理,就能从类桁架连续体中获得清晰的带孔板.     

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.     

基于节点密度法的连续体结构拓扑优化结果提取

研究影响拓扑优化结果提取的各类因素及解决方法.基于节点变密度法建立连续体结构拓扑优化模型,连续密度场在结构拓扑数学描述上抑制了棋盘格现象.采用密度过滤技术进一步提高密度场的连续性和光滑性,从而消除了网格依赖性现象.密度-弹性模量惩罚措施及两步过滤策略减少了中间密度节点数目并消除图像扩散现象.拓扑优化密度云图输出方式得到光滑的轮廓边界.通过二维经典拓扑优化数值箅例验证了方法的正确性.     

基于连续统敏度的结构动态形状优化方法

为实现连续体结构动态形状优化设计,运用连续统敏度分析方法,得到了结构体积、固有频率的物质导数. 在此基础上,采用控制点的虚拟位移为设计变量,运用一阶泰勒展开建立优化模型,设置设计变量的运动极限保证了优化迭代的稳健性. 数值算例表明,该方法的实现不必修改有限元源程序,敏度计算所需的有限元分析次数少,适用于各类优化模型.     

偶应力介质结构的最优强度拓扑优化

在等应变能密度分布的意义下给出了偶应力介质结构最优强度的拓扑优化设计方法。优化模型的设计变量为单元的密度,约束函数为许用材料的体积用量,目标函数通过等应变能密度准则隐式地给出。该方法的优点在于将强度约束/目标的显式应力形式进行转化,避免了应力函数优化问题中的奇异性、强非线性及约束的局部性等困难。数值算例表明,基于优化模型,偶应力介质的最优结果依赖于结构的最小局部尺寸与偶应力介质特征长度的比值。当宏观结构的尺寸远大于特征长度时,偶应力介质的结果趋于经典连续介质的相应结果。     

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。     

基于二级多点逼近算法的连续体结构拓扑优化

针对基于变密度法的连续体拓扑优化中设计变量连续性的特点,建立了以结构重量最小为目标,考虑位移和频率约束的连续体结构拓扑优化模型;原拓扑优化问题先转化为具有较高精度的第一级多点近似序列问题,该问题的约束函数由优化过程中历史设计点的临界约束函数值及其一阶导数构造;再通过线性泰勒展开建立可由对偶法快速求解的第二级近似序列问题,以逼近各第一级近似问题的解. 采用敏度过滤技术,避免棋盘格引起的数值缺陷问题,并对低密度区域的单元刚度进行惩罚,以消除频率约束问题的局部模态现象. 优化过程中采用通用有限元程序Nastran进行结构分析和敏度分析. 数值算例结果表明:应用该方法可以有效地解决具有位移和频率约束的连续体拓扑优化问题.