结构元件可靠性拓扑优化设计方法评述

结构元件可靠性拓扑优化考虑了工程实践中不确定因素的影响,对于结构可靠性设计具有重要意义. 本文将结构元件可靠性拓扑优化设计方法分为嵌套优化法、解耦法、单循环法、可靠性安全系数法. 本文首先介绍了各类可靠性拓扑优化模型;然后系统回顾了以上方法的理论基础以及研究现状与应用;最后对以上方法进行了总结,探讨了它们的优缺点和发展方向.     

多工况线性结构稳健拓扑优化设计

针对实际工程中存在的多工况、载荷不确定的情况, 研究了概率方法表示载荷不确定性的多工况线性结构稳健拓扑优化设计方法. 基于线弹性位移叠加原理给出了多工况、不确定性条件下结构柔度均值与方差的计算方法, 并在此基础上推导了结构灵敏度公式. 对于承受M个工况的二维结构, 根据每个工况下的柔度均值和方差以及灵敏度信息求出其结构整体的均值、方差及灵敏度信息;而结构在单工况n个不确定载荷下的均值方差及灵敏度信息可以通过求解其在2n个确定性载荷工况下的位移求得. 提出了以结构整体柔度均值和标准差的加权和最小为目标、体积约束下的稳健拓扑优化设计方法. 数值算例验证了所提方法的正确性和有效性以及载荷不确定、多工况条件下优化设计结果的稳健性. 该设计方法可以很方便的推广到三维结构问题.      

桁架拓扑优化的多点逼近遗传算法

提出一种基于多点逼近函数和遗传算法的桁架拓扑优化方法。该方法建立了包含连续尺寸和离散拓扑两类变量的优化模型，并通过构造多点逼近函数建立了结构优化问题的第一级序列显式近似，然后采用分层优化方法：在外层对拓扑变量采用遗传算法进行优化；在内层对尺寸变量通过可由对偶法求解的第二级序列近似问题进行优化。几个经典的桁架拓扑优化算例表明该方法能以较少的结构分析次数获得比较理想的概率意义上的最优解。     

TOPOLOGY OPTIMIZATION FOR GEOMETRIC STABILITY OF STRUCTURES WITH COMPENSATION DISPLACEMENTS

大量工程问题要求结构的局部区域在不同承载工况下保持位移响应的几何稳定性. 在结构的特定区域引入可以随承载工况调节的补偿位移是实现这一目标的有效手段. 在线弹性小变形范围内,通过最小的变形控制成本,研究了多工况下使结构特定位置的位移响应保持几何稳定性的拓扑优化问题. 设计目标为在保持结构位移响应几何稳定性的同时实现结构的最大刚度;优化模型包含两类设计变量:结构拓扑变量及补偿位移变量,两类变量采用分层寻优技术进行耦合. 采用伴随法分别推导了目标函数对两类设计变量的敏度求解格式. 结果表明,该优化模型能够在兼顾成本的同时较好地实现结构的变形控制目标.     

结构拓扑优化研究方法综述

结构拓扑优化研究方法目前有解析方法和数值方法两大类.首先介绍了解析方法中的 Michell理论,它在结构拓扑优化领域研究较早,影响最为深远.随后着重讨论了杆系和连 续体结构拓扑优化的数值方法.杆系结构常采用基结构方法,通过删除部分杆件达到结构 拓扑优化的目的.连续体结构一般要划分为有限单元,通过删除单元形成带孔的连续体, 以实现拓扑优化.介绍了连续体结构拓扑优化常采用的材料模型:各向同性、各向异性和 带微结构材料.并对连续体结构(0-1)拓扑优化中的数值计算不稳定问题的机理进行了分 析,给出了解决方法.此外,对应力约束问题存在解的奇异性现象也作了简要介绍.最后, 对数值方法中的主要数学求解方法进行了简单介绍.     

一种改进的结构拓扑优化水平集方法

针对有限的结构设计区域,界面力的大小和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,为了解决基于水平集方法的结构边界演化停滞等问题,导出了基于水平集演化的结构拓扑优化所需的法向速度场.研究了由该法向速度场导出的序列解的收敛特性,并建立了一套新的结构柔顺度为目标函数,体积为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.     

基于网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法

发展了一种基于有限元网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法,可在不改变设计域包络的情况下(如维持流型、艺术外观和附加功能等)对结构进行减重。首先,分别对二维问题和三维问题发展相应的有限元网格退化算法,并在刚度等效的意义上对网格进行重组,建立了具有杆元拓扑特征的有限元模型。其次,以全局种子网格的长度尺寸和杆元横截面积为优化变量,构造了域内双层驱动拓扑优化问题,得到具有最优体分比的杆元拓扑结构。数值算例表明,所提方法可获得新型式的结构拓扑优化方案,并可将结构拓扑优化理论推向工程化应用。     

结构拓扑优化中变量连接算法研究与软件实现Research and software implementation of variable connection algorithm for structural topology optimization

结构拓扑优化的变量连接,是通过对设计变量之间添加约束关系,从而得到特定的拓扑优化构型,使得优化结果能够满足工程上的特殊要求和工艺制造技术的限制。针对拓扑优化中的几类过滤形式及灵敏度分析,给出了考虑变量连接的计算公式;基于自主研发的SiPESC软件集成化平台,在SiPESC ．TOPO拓扑优化模块上进行二次开发,构建了拓扑优化的变量连接算法框架,其核心思想是基于面向对象设计方法和软件设计模式,实现算法与数据分离。详细阐述了变量连接的作用方式,以及软件框架通用接口设计方案,并通过数值算例验证了其在静力问题、动力问题和热传导问题上的可行性。     

考虑平稳随机响应的显式结构拓扑优化

随机载荷是工程结构在服役中经常承受的一种复杂的载荷形式,通常采用统计学特性对其进行描述。对随机载荷作用下的结构进行拓扑优化设计是一项极具挑战性的工作,其主要难点在于,(1) 传统隐式拓扑优化方法的设计变量数巨大,且用于结构动态性能拓扑优化问题时存在虚假模态等数值不稳定问题; (2) 对结构的随机动力响应统计量及其灵敏度进行计算需要极大的计算量; (3) 隐式拓扑优化框架下的分析模型与优化模型强耦合,导致结构有限元模型具有极高的自由度,进一步加剧了上述困难。本文基于移动可变形组件框架和虚拟激励法理论,提出了一种平稳随机载荷作用下结构的显式拓扑优化设计方法。通过将一系列可移动和可变形的结构组件作为优化的基础单元,实现了使用少量设计变量描述结构拓扑构型的目的。采用虚拟激励法、自由度删除技术和模态位移法有效降低了对结构进行随机振动分析和灵敏度分析的计算量。在此基础上,以结构柔顺度的标准差为目标函数、以设计域内实体材料的体积为约束条件,实现了限带白噪声作用下结构的拓扑优化设计,并通过数值算例验证了本文方法的有效性。     

FUNDAMENTAL FREQUENCY MAXIMIZATION DESIGN FOR CONTINUOUS FIBER-REINFORCED COMPOSITE STRUCTURES 1)

与传统的金属材料相比, 纤维增强复合材料在强度、刚度、抗断裂等诸多方面具备更优良的性能, 目前纤维增强复合材料已在汽车、航空航天等工业领域得到了广泛应用. 本文提出一种求解连续纤维增强复合材料结构无阻尼自由振动下的基频最大化问题的拓扑优化方法. 为了实现结构拓扑构型与纤维角度的同步优化, 建立了以准许的材料用量体积分数为约束、以结构的一阶特征值为目标函数的动力学拓扑优化模型, 该模型包括表征结构拓扑构型的密度设计变量和表征纤维方向的角度设计变量. 详细推导了特征值目标函数关于密度设计变量和角度设计变量的解析灵敏度列式, 并采用移动渐进线方法 (method of moving asymptotes, MMA) 进行了优化求解; 最后通过3个数值算例验证本文方法的有效性, 其中包括一个以刚度最大化为目标的静力学优化算例, 和两个以一阶特征值为目标的动力学优化算例. 结果表明, 所提方法优化迭代过程稳健, 收敛快, 能够在实现结构拓扑构型与纤维角度的一体化优化的同时, 有效提高结构的频率.     

结构拓扑优化ICM方法的改善

对结构拓扑优化的ICM(独立、连续、映射)方法进行了深入探讨,通 过选取不同的过滤函数可以不进行每步删除而得到清晰的拓扑图形. 以位移约束为例阐述了 ICM方法建模及求解过程. 对位移约束、频率约束、位移及频率约束、简谐载荷激励下动位 移幅值约束等拓扑优化进行了研究,计算算例表明ICM方法在处理静力问题及动力问题的拓 扑优化都是可行的. 程序算法都在MSC.Nastran及MSC.Patran的二次开发环境下实现,与 原软件有机结合在一起.     

频率约束的三维连续体结构动力拓扑优化设计

针对频率约束和结构重量最小的动力拓扑优化问题, 基于(independent continuous mapping, ICM)独立、连续、映射方法,建立了频率约束下的三维连续体拓扑优化模型. 利用瑞利商和一阶泰勒展式对频率约束进行了显式化处理,并采用幂函数与复合指数函数作为过滤函数,将优化模型进行了标准化转换, 利用对偶理论及数学规划法进行了求解. 另外,利用质量矩阵和刚度矩阵过滤函数比值与动态约束处理了局部模态和模态交换等数值问题. 最后,通过应用两类不同过滤函数的数值算例表明了文中模型及方法在处理动力拓扑优化问题上的合理性与有效性.      

利用导重法进行结构拓扑优化

介绍了导重准则法基本原理并将其应用于杆系结构及连续体结构拓扑优化。对于重量约束结构性能最优化和多性态约束结构重量最小化问题的连续结构拓扑优化问题,详细推导了导重法与变密度SIMP(Solid Isotropic Microstructure with Penalization)法相结合的更加规范的全新优化准则公式,并给出了相应的算例。计算结果表明,导重法不仅适用于传统的结构尺寸优化与形状优化,而且可很好地求解结构拓扑优化问题,并具有公式简单、通用性强、收敛速度快及优化效果好的优点。     

Truss topology optimization under uncertain nodal locations with proportional topology optimization method

This paper presents an approach to solving truss topology optimization problem with small uncertainty in the locations of the structural nodes. The nodal locations in the truss are assumed to be random, and the probabilistic method is used here to deal with the uncertainty. The objective of the optimization problem is to minimize the mean compliance of the truss structure under nodal location uncertainty. It is a well-acknowledged barrier to compute the inverse of the structural stiffness matrix which involves variations in the optimization problem. In this paper, based on Neumann series expansion, this optimization problem can be recast into a simpler deterministic structural optimization problem. In order to avoid the sensitivity calculations for the objective function, the proportional topology optimization method which shows comparable e?ciency and accuracy with gradient-based method is used. The numerical examples demonstrate the effectiveness and high e?ciency of the proposed approach, and further illustrate that the optimal truss topology can be dramatically impacted by nodal location uncertainties.     

THE SATELLITE STRUCTURE TOPOLOGY OPTIMIZATION BASED ON HOMOGENIZATION METHOD AND ITS SIZE SENSITIVITY ANALYSIS

With the development of satellite structure technology, more and more design parameters will affect its structural performance. It is desirable to obtain an optimal structure design with a minimum weight, including optimal configuration and sizes. The present paper aims to describe an optimization analysis for a satellite structure, including topology optimization and size optimization. Based on the homogenization method, the topology optimization is carried out for the main supporting frame of service module under given constraints and load conditions, and then the sensitivity analysis is made of 15 structural size parameters of the whole satellite and the optimal sizes are obtained. The numerical result shows that the present optimization design method is very effective.     

多工况结构拓扑优化的灰色权重折衷规划模型法

针对多工况结构拓扑优化问题中的载荷病态现象,基于RAMP (Rational Approximation of Material Properties)拓扑优化模型,提出应用灰色理论确定工况权重系数,并将应变能目标函数归一化的折衷规划模型法．通过专家评价方法获得工况权重系数的灰色区间,结合灰色理论计算工况权重系数灰色区间的精确值,并采用导重法推导出多工况结构拓扑优化问题的求解迭代表达式．通过定义载荷比描述载荷病态的程度,对多工况结构拓扑优化典型算例在不同载荷比及不同工况权重系数下进行结构拓扑优化分析．优化结果表明,灰色权重折衷规划模型及求解方法对多工况结构拓扑优化问题具有高效、稳定的特点,能够克服载荷病态问题,并通过大跨度甲板强横梁的结构拓扑优化设计证明本文设计方法的有效性．     

STUDY ON PARAMETERS FOR TOPOLOGICAL VARIABLES FIELD INTERPOLATED BY MOVING LEAST SQUARE APPROXIMATION

This paper presents a new approach to the structural topology optimization of continuum structures. Material-point independent variables are presented to illustrate the existence condition,or inexistence of the material points and their vicinity instead of elements or nodes in popular topology optimization methods. Topological variables field is constructed by moving least square approximation which is used as a shape function in the meshless method. Combined with finite element analyses,not only checkerboard patterns and mesh-dependence phenomena are overcome by this continuous and smooth topological variables field,but also the locations and numbers of topological variables can be arbitrary. Parameters including the number of quadrature points,scaling parameter,weight function and so on upon optimum topological configurations are discussed. Two classic topology optimization problems are solved successfully by the proposed method. The method is found robust and no numerical instabilities are found with proper parameters.     

考虑非概率可靠性的结构柔顺度拓扑优化设计

实际工程中广泛存在的不确定性可能对结构拓扑设计产生重要影响。基于不确定性的多椭球凸模型描述及非概率可靠性指标的定义,建立了材料体积约束和不确定参数范围约束下、结构柔顺度极小极大化为目标的非概率可靠性拓扑优化数学模型。结合移动渐进线方法,基于单循环策略实现该连续Minimax优化问题的求解。经典算例尺寸优化设计结果说明了...     

基于渐进演化策略的增材制造自支撑结构拓扑优化算法

拓扑优化和增材制造分别是先进的结构设计技术和制造技术,将拓扑优化与增材制造融合能产生显著的协同效益.增材制造存在一些独特的制造约束,研究考虑结构自支撑约束的拓扑优化算法,可以降低材料和时间成本.基于SIMP方法框架,建立显式约束函数模型表征结构的自支撑特性,并发展了相应的拓扑优化流程,通过结构渐进演化实现自支撑.研究了相应的灵敏度分析方法,可实现并行计算.提出一个指向性灵敏度过滤算子促进支撑结构演化.采用3个数值算例进行分析,验证了指向性灵敏度过滤的有效性,所有拓扑优化结果均实现了结构自支撑.与典型方法相比,优化结果的可制造性更好.     

传热结构的多目标拓扑优化设计研究

深入分析了传热结构多目标拓扑优化设计中的几个关键问题。提出了基于结构柔度最小化和结构散热弱度最小化的多目标拓扑优化设计方法,建立了传热结构的多目标拓扑优化设计模型,推导了传热结构多目标拓扑优化中用于迭代分析求解的优化准则算法和敏度分析方程。通过数值计算验证了理论和算法的有效性。