基于拓扑优化的双层交通混凝土箱梁开孔设计

双层交通混凝土箱梁是由钢筋和混凝土两种材料组成,而它们的工作性质可抽象为由钢筋和混凝土构成的拉杆-压杆模型。引入一种新的拓扑优化方法"加窗渐进结构优化算法"建立反映结构工作机理的拉杆-压杆模型,为双层交通混凝土箱梁腹板开孔设计提供理论指导。介绍了拓扑最优解建立拉杆-压杆模型和如何完成结构配筋设计方法。结果表明:通过加窗渐进结构优化算法获得的拓扑最优解能较好的呈现结构内部受力状态;根据优化方法完成的工字梁结构配筋及开孔设计与试验设计相比,开孔率增加了5.5倍,极限荷载增长了1.2倍,但钢筋用量减少了30%。     

基于改进渐进结构优化方法的结构动力优化研究

在对渐进结构优化方法基本理论分析基础上,根据结构动力学的拓扑优化特点,结合尺寸优化理论,提出了一种新的删除准则。探索了一种改进型渐进结构优化方法,并叙述基本的优化步骤。最后,融入了质量、应力、位移以及频率等动力学约束条件参数,运用该方法进行谐激励力作用下的板结构动力响应拓扑优化。算例表明,改进渐进结构优化方法对结构动力学拓扑优化问题具有一定的适用性,拓展了基本渐进结构优化方法的应用范围。     

适用于支护拓扑优化的双向渐进优化方法

利用近年来发展的渐进结构优化方法(ESO)的概念,发展了适用于支护拓扑优化问题的双向渐进结构优化方法(BESO)。本文方法能在优化过程中控制开孔数,有效地避免了棋盘格式的出现,提出了两个解决振荡问题的技巧。将加固后的岩体看成人工支护材料,可以把加固优化的问题转化为人工支护材料在原岩中的分布的拓扑优化问题。建立了防治底臌帮臌的准则及其敏感度,研究了均匀地基不同地应力条件给定加固量时使得底臌帮臌最小的洞室开挖支护的最优拓扑。最优设计的底臌量明显小于经验设计的底臌量,证明了方法的有效性。     

约束阻尼结构的双向渐进拓扑优化

针对约束层阻尼板的拓扑优化问题,以模态损耗因子最大化为目标函数,约束阻尼材料体积分数为约束条件,建立了约束阻尼板的拓扑优化模型。基于模态应变能方法,推导了目标函数对设计变量的灵敏度。采用双向渐进优化算法(BESO)对约束阻尼材料的布局进行了拓扑优化,获得了约束阻尼材料的最优拓扑构型,并与渐进优化算法(ESO)进行了比较。研究结果表明：双向渐进优化算法相比单向渐进优化算法,获得的模态损耗因子更高,阻尼减振效果更好。     

基于双向渐进结构拓扑优化算法的创新设计研究

目的 在数字化设计的背景下,探索基于结构性能化的算法找形方法,运用双向渐进结构拓扑优化算法(Bi-Directional Evolutionary Structural Optimization,BESO)展开创新设计实践研究。方法 在理解双向渐进结构拓扑优化算法的基本内涵、相关理论、历史发展和现状应用的基础上,分析其算法生成的优势及可行性,并以算法的组织模式与生形原理为前提,对其进行几何划分、约束条件、优化技术、结构模拟、材料设定、迭代生形等内容协同一体的生成策略研究,提供了多元选择的设计机会。结果 得到了运用双向渐进结构拓扑优化算法进行的基于初始形态设计、拓扑优化设计和后处理与制造三步骤创新设计实践结果。结论 此设计实践方案验证了该算法生成方法的设计应用可行性,同时也为多领域应用该算法提供了新思路和新方向。     

约束阻尼板的渐进法结构减振拓扑动力学优化

旨在为结构减振设计奠定一定基础,研究约束阻尼板减振优化问题。建立约束阻尼板动力学平衡方程,推导模态损耗因子计算模型。构建以模态损耗因子最大为目标,黏弹性材料用量及模态频率变动最小为约束的阻尼板拓扑优化数学模型,推导模态损耗因子灵敏度算式。引入渐进结构优化方法对约束阻尼板动力学优化模型进行求解,采用独立网格滤波技术,解决优化迭代中出现的棋盘格问题。编制阻尼板拓扑优化程序,实现约束阻尼板减振优化。仿真显示,与非优化删除方法相比,采用渐进拓扑动力学优化,更有利于实现黏弹材料优化布局,且模态频率变化比较稳定。对阻尼结构进行谐响应分析,以验证拓扑优化方法有效性,引入模态损耗因子体积密度指标以评价阻尼板减振拓扑优化性能。研究表明,若能实现结构模态损耗因子最大化,约束阻尼板减振效果明显。该方法对于约束阻尼板设计具有较强实用性,拥有较高的稳定性。     

不同位移边界条件下钢筋混凝土深梁拓扑优化

为了探讨位移边界条件对钢筋混凝土深梁拓扑优化的影响，同时为深梁设计提供有效的力学理论依据，以ANSYS有限元分析软件为平台，利用其参数化设计语言的二次开发功能，并借助具有直观高效拓扑寻优能力的渐进演化类算法，分别对4根支座约束条件不同的双侧开洞深梁、4根开洞情形不同的两端固定铰支深梁以及3根支座约束与开洞情形均有一定差别的连续深梁进行拓扑优化，并对不同拓扑解进行对比分析。结果表明：集中力作用下深梁的拓扑解均近似为杆系结构，提高支座约束程度可以使传力路径增加，传力方式更直接；当深梁因工程原因或功能需求而不得不设置洞口时，洞口位置离原传力路径越远则越有利于结构内部的传力；连续深梁与单跨深梁的拓扑解的主要差别体现在中支座处的梁顶拉杆上，这些拉杆能够提高结构的整体刚度。因此，在工程设计中，针对不同位移边界条件下的钢筋混凝土深梁，可以根据它们拓扑解的差异以及造成这些差异的力学机理，采取不同的设计方案，包括支座约束、开洞情形以及配筋方式等的选取。研究结果可为深梁这类复杂受力构件的设计提供力学理论依据。     

拓扑优化方法及其在微型柔性结构设计中的应用

介绍了连续体结构拓扑优化设计中常用的均匀化方法和渐进结构优化法的原理，对拓扑优化中出现的数值不稳定现象——棋盘格式、网格依赖性和局部极值——进行了分析，通过典型实例和笔者最近的研究工作说明了拓扑优化在微型柔性机构设计中的应用，最后对拓扑优化技术的发展进行了展望。     

一种变频率约束限的结构拓扑优化方法

针对仅频率约束和重量最小的结构拓扑优化问题,基于ICM(独立、连续、映射)方法和渐进结构优化方法的思路,提出了一种变频率约束限的结构拓扑优化方法.在优化迭代循环的每一轮子循环迭代求解开始时,为了控制拓扑设计变量的变化量,依据结构频率和其约束限,形成和引进了新的频率约束限.另外,建立了单元删除阈值和几轮迭代循环的单元删除策略.为了确保优化迭代中结构非奇异和方法具有增添单元的功能,在结构孔洞和边界周围引入了一层人工材料单元.结合拉格朗日乘子法,形成了一种新的连续体结构的拓扑优化方法.给出的算例表明该方法没有目标函数的振荡现象,且验证了该方法的正确性和有效性.     

振级落差约束下齿轮箱基座拓扑构型设计

采用结构拓扑优化理论,研究某新型齿轮箱基座拓扑构型设计方法.在满足指定振级落差设计要求下,进行底座和腹板材料拓扑布局动力学优化,减轻基座的重量.建立了两种拓扑构型优化模型:1)振级落差约束下,基座重量为目标函数,底座方钢(阻振质量)拓扑构型优化;2)振级落差约束下,基座重量为目标函数,腹板及底座方钢综合拓扑优化设计.通过两种方案的计算对比分析,得到给定约束条件下的减振效果良好的腹板和底座方钢结构拓扑形式,为实际工程设计应用提供概念设计.丰富新型减振基座拓扑构型设计理论和方法.     

遗传演化结构优化算法

ESO算法是近年来提出的一种结构优化算法,它可以应用于多个领域。在土木工程方面,利用ESO算法可以寻找结构最优的拓扑形状,指导结构的设计。但这种算法存在先天的局限性,即无法保证它所得到的解是最优解。为此,将遗传算法与ESO算法揉合在一起,形成了一种新的遗传ESO算法,简称为GESO算法。GESO算法把群体的概念借鉴到ESO中,巧妙地解决了遗传算法费时和ESO易陷入局部最优解的两个问题。实例证明它得到的结果大多优于ESO算法。     

Topology optimization of double- and triple-layer grids using a hybrid methodology

In this article, a hybrid methodology combining evolutionary structural optimization (ESO) and gravitational particle swarm (GPS) methods is proposed for topology optimization of double- and triple-layer grids. In the present methodology, which is called the ESO-GPS method, the size optimization of double- and triple-layer grids is first performed by ESO. Then, the outcomes of the ESO are used to improve the GPS through four modifications. Structural weight is minimized against constraints on the displacements of nodes, internal stresses and element slenderness ratio. The GPS is used to investigate the optimum topology of large-scale skeletal structures with discrete variables whose agents update their respective positions by the particle swarm optimization velocity and the acceleration of the gravitational search algorithm. The numerical results show that the proposed algorithm, the ESO-GPS, performs better than the GPS and the other methods presented in the literature.     

基于应变能的预应力平面实体结构拓扑优化设计

研究了预应力平面实体钢结构拓扑优化设计问题。建立了以索力值和结构拓扑为设计变量,以结构储存应变能为约束条件,以结构重量最小为目标函数的数学优化模型。在求解方法上,首先以结构储存应变能最小(刚度最大)确定施加在结构上的索力值,然后采用渐进结构优化法(ESO方法)删除低应变能的单元实现结构的拓扑优化并减轻结构重量。算例结果与相应体系受力性能的结论相吻合,表明本文所提出的优化方法是可行的。     

A strength-based multiple cutout optimization in composite plates using fixed grid finite element method

The design of interior cutouts in laminated composite panels is of great importance in aerospace, automobile and structural engineering. Based on the Tsai–Hill failure criterion of the first ply, this paper presents a newly developed Fixed (FG) Grid Evolutionary Structural Optimization (ESO) method to explore shape optimization of multiple cutouts in composite structures. Different design cases with varying number of cutouts, ply orientations and lay-up configurations are taken into account in this study. The examples demonstrate that the optimal boundaries produced by FG ESO are much smoother than those by traditional ESO. The results show the remarkable effects of different opening numbers and various lay-up configurations on resulting optimal shapes. The paper also provides an in-depth observation in the interactive influence of the adjacent cutouts on the optimal shapes.     

叠层复合材料方板多孔形状优化

采用一种无梯度仿生技术——基于等限制Tsai-Hill值准则的固定网格渐进优化方法(FGESO),研究了叠层复合材料方板在拉剪荷载时不同孔数、不同叠层构造条件下的最优孔形问题。在孔的周围不断把限制Tsai-Hill值小于删除标准的材料删除,直到稳定状态达到,然后提高删除标准继续迭代,直到达到指定的开孔面积。与传统渐进优化方法(ESO)的不同之处在于利用节点而不是单元的限制Tsai-Hill值来确定需要删除的材料,因此得到了比ESO更光滑的结果。例子证明了方法的普适性和有效性。还研究了两孔方板最优孔形的优化历程,结果反映了相邻开孔相互影响的一些规律。     

渐进结构优化法的基本理论及应用

渐进结构优化法（Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，简称ＥＳＯ）是近年来兴起的一种解决各类结构优化问题的数值方法。它是基于这样一个简单概念：通过将结构中无效或低效的材料一步步去掉，剩下的结构将逐渐趋于优化。ＥＳＯ的特点在于简单，通用，优化的结构可为桁架，刚架，板壳或三维连续体，优化的约束条件包括应力，刚度，位移，频率及临界压力。本文阐述渐进结构优化法的基本原理和具体步骤，并以一系列算例演示该法的计算机实施过程，文章最后介绍了ＥＳＯ的最新进展。     

多约束的桥梁结构拓扑优化

基于ESO (Evolutionary Structural Optimization)的拓扑优化方法,本文提出了一种适应于桥梁结构的拓扑优化方法。引进了两种性能指标公式来确定最佳拓扑设计。另外,为了更有效地尝试改进最终设计的细节,而又不进行更精细有限元网格的完整分析,这里提出了一种精细网络设计方案。再者,结合细啃技术,完成了考虑应力、位移、频率约束的斜拉桥优化设计。通过几种桥梁的设计优化,表明该方法的可应用性、简洁性和有效性。     

基于ESO的夹层阻尼圆锯片减振降噪拓扑优化设计

针对夹层阻尼圆锯片的减振降噪拓扑优化设计,基于渐进拓扑ESO（evolutionary structural optimization）算法,寻求阻尼材料最佳布局. 导出了单元删除方法和损耗因子灵敏度计算方法,建立了拓扑优化流程,将损耗因子灵敏度作为衡量单元对结构损耗因子贡献量大小的标准,通过判断阻尼材料各单元对整体结构的减振效果,删除无效单元,得到满足刚度条件下的夹层阻尼圆锯片结构最优配置,使其在减振降噪的同时达到一定的刚度要求. 通过3种圆锯片模型的阻尼损耗因子对比,验证了优化后的圆锯片具有最佳的减振降噪效果．     

基于交叉过滤的刚架结构拓扑优化

针对目前离散体拓扑优化在大型刚架结构中的广泛应用以及此类方法对制造工艺的忽视,该文给出了交叉准确的数学描述,提出了交叉因子的概念,通过Heavisid函数建立了由截面积设计变量到交叉因子的连续函数。依此在优化模型中加入交叉过滤约束,利用基结构法建立了拓扑优化模型。最后将该方法应用到天线辐射梁的设计中,结果显示该方法能有效地消除不需要的单元交叉。