渐进演化类拓扑优化算法的优化准则对比研究

渐进演化类拓扑优化算法的优化准则是影响结构优化结果的关键因素之一。以不同荷载和边界条件下的深梁模型为数值算例,比较了基于不同优化准则的3种算法在优化解和优化效率上的差别。结果表明:对于荷载和边界等条件较简单的构件,采用单向和确定性优化准则的渐进演化类拓扑优化算法能高效地得到最优拓扑,采用概率性优化准则和采用双向优化准则的渐进演化类拓扑优化算法有着更广的适用范围,在荷载和边界等条件较复杂的构件上,同样表现出较强的避免优化畸变的能力和全局寻优能力。对结合概率性优化准则和双向优化准则的遗传双向渐进演化结构优化算法建立了流程图,并进行初步讨论,以期进一步提高渐进演化类拓扑优化算法的实用性和寻优能力。     

基于ANSYS的渐进结构拓扑优化方法比较

以大型有限元通用软件ANSYS作为平台进行二次开发,探索基于渐进结构优化方法的结构拓扑优化途径.通过直接删除单元和运用单元生死技术,发展了两种实现结构拓扑优化的途径,并与ANSYS自带的结构拓扑优化功能进行比较研究.结果表明,直接删除法和单元生死法均可用于工程实际,运用单元生死技术进行基于ESO的结构拓扑优化有更大的灵活性和实用性.     

利用双向渐进结构优化算法进行建筑设计

文章旨在揭示现代结构拓扑优化算法在建筑设计中的重要作用。结构拓扑优化能够确定设计体量中空腔所处的最佳位置和形态,从而有效地生成在结构上经济高效、在建筑上富有创新的概念设计。渐进结构优化法是过去30年来产生的各种拓扑优化算法中最常用的算法之一,使用简单且高效,能够应用于各类结构设计问题。该算法的最新的一个版本——双向渐进优化算法有很好的稳定性和准确性,近十年在全球范围内被广泛使用。文章通过一系列案例,阐述如何利用双向渐进优化算法生成形式美观且结构高效的形态。     

有支撑钢框架离散型拓扑优化设计

为了研究离散型拓扑优化理论在实际工程中的应用,在遗传算法和渐进结构优化算法的基础上对有支撑钢框架的离散型拓扑优化设计进行了分析.通过引入拓扑变量并修改无效杆件的弹性模量,提出了一个能适用于桁架结构、刚架结构和桁架刚架混合结构的离散型拓扑优化问题统一数学列式.该统一数学列式能解决桁架拓扑优化问题中以截面面积作为设计变量而...     

随机地震作用下三维桁架结构拓扑优化

建立了以结构体积最小为目标、指定节点响应方差为约束的优化模型,采用时域显式法分析了随机地震作用下结构响应及其灵敏度,并结合全局收敛的移动渐进线法(GCMMA)求解了结构拓扑优化问题,最后通过三维桁架结构数值算例验证了该拓扑优化的可行性。     

基于改进萤火虫算法的杆系结构拓扑优化

基于萤火虫算法的基本原理及相应的改进策略,研究了离散变量杆系结构的拓扑优化问题。通过对初始萤火虫位置和位置更新公式进行离散,以使该算法适用于离散变量优化问题;同时,为克服在优化初期寻优速度慢的问题,对公式中的吸引力项进行改进,提出一种兼顾寻优效果和收敛速度的改进萤火虫算法。以基结构法为结构初始拓扑生成方法,以杆件截面为优化变量,以结构质量最轻为优化目标,提出了一种基于改进萤火虫算法的杆系结构拓扑优化方法。利用该方法分别对平面桁架和空间桁架结构进行拓扑优化分析,证明了所提方法的可行性和高效性。     

基于ESO的脚手架结构拓扑优化

结合渐进结构优化理论对脚手架拓扑结构进行了研究,分析了脚手架作为一种特殊的空间桁架结构,针对其计算和设计的难点,提出了一种新的拓扑结构,为以后脚手架的设计提供了有价值的实践借鉴。     

拓扑优化技术在实现建筑与结构一体化设计中的应用

正双向渐进结构优化方法简介随着计算机技术的不断发展,结构形态优化技术的强大功能使其广泛运用在航天、机械、土木、材料等领域。结构形态优化的核心问题是在一定的边界条件和容积内通过调整结构参数和控制结构单元来得到最优的形状分布。一个拓扑优化结果的给出包括初始模型优化算法、形态优化和尺寸优化等多个步骤。随着大规模计算机和有限元技术的不断发展,结构拓扑优化技术已经能够解决     

基于单元编码的单层网壳结构拓扑优化方法

针对杆件规模较大的网壳结构的拓扑优化问题,提出了一种单元拓扑编码方法,不仅减少了优化变量,而且降低了机构体系出现几率,提高了优化效率.运用上述拓扑编码方法并结合改进萤火虫优化算法,对单层网壳结构进行拓扑优化分析,并与传统基于杆件编码的拓扑优化方法进行比较,验证了本方法的寻优效率和全局搜索能力.在此基础上,通过设置不同的荷载分布、优化目标和限制条件,获得了一系列形式新颖、受力高效合理、符合优化意图、满足约束条件的网壳拓扑形式,展现了本文方法的工程应用价值.     

基于ANSYS平台的连续体渐进结构优化设计及其应用

基于ANSYS分析软件平台,在传统的渐进结构优化(ESO)思想的基础上,依据对结构位移灵敏度的分析,较严格地导出了结构的应力灵敏度;并根据荷载的最优传递路线概念提出了一种具有应力约束连续体结构拓扑优化的单元删除策略,从而使得在结构拓扑优化的迭代过程中,最大应力的变化尽可能小,且最优结构所对应的最大应力能控制在容许应力范围之内.若干工程算例的优化结果表明,该方法在结构优化目标质量最轻的前提下计算效率相对较高,且优化结果与工程实际要求较吻合,同时也从数值上验证了该方法的可行性和有效性.     

拓扑优化研究方法综述

根据两个基本原理把拓扑优化方法分为退化法和进化法两大类,分别介绍了各主要的拓扑优化设计方法,对这些方法进行了比较,并指出各方法适用的范围,介绍了当前拓扑优化的研究热点,并对结构拓扑优化的未来作了展望.     

拓扑优化中水平集方法的局限性及改进方法

提出了一种基于拓扑导数的水平集方法,利用拓扑导数在材料的内部生成新的孔,再运用水平集方法移动和融合新生成的孔,克服了传统水平集方法的缺点并保留其优点;通过数值算例展示了传统水平集方法的缺点和新方法拓扑优化问题的改进效果。结果表明:提出的拓扑导数水平集算法简单有效,可以进行连续体结构的拓扑优化设计。     

基于连续体结构拓扑优化的树状结构拓扑创构

针对概念设计阶段树状结构拓扑创构问题,提出了连续体结构拓扑优化方法。应用连续体结构拓扑优化法,建立体积约束下结构总应变能极小化（即结构总体刚度极大化）的拓扑优化模型,依据单约束优化问题的鞍点条件建立了优化迭代格式。研究了体积比、屋面结构刚度、屋面结构几何形式、设计空间高度等对树状结构拓扑形态的影响,并给出了具体应用算例。结果表明：随着材料用量的增加,树状结构拓扑随之复杂;随着屋面刚度的增加,树状结构分枝趋向于减少;不同的屋面结构几何形式会导致不同的树状结构拓扑形态;满足一定高度后,树状结构分枝形态不会受高度影响,仅是增加主树杆高度。     

结构形态创构方法的工程应用

结构形态创构方法是一种以数值计算为基础,运用数学、力学原理来追求力学合理,形式美观的建筑结构形态的方法。主要包括以下两种方法:"改进进化论方法"是模仿自然界的进化现象,通过进行"保留、淘汰、补充"的操作使结构体逐步进化并演变成合理结构的结构形态创构方法;而"高度调整方法"是基于有限元法,通过计算应变能对曲面高度的微分,并根据应变能变化的敏感程度对曲面高度进行调整,最终得到一个结构应变能最小的合理结构形态的自由曲面结构形态创构方法。该方法简单、实用,所得到的结构不但能保证实现建筑师的设计理念,也能保证结构的力学合理性。最终方案可以采用钢筋混凝土结构来实现,也可以用钢结构来实现。文中主要介绍了这两种结构形态创构方法的特点与实际工程中的应用方法,同时结合工程实例,详细分析了所得到的结构形态的力学性能。     

基于水平集方法的连续体结构拓扑优化

提出了一种用水平集函数作为设计变量求解连续体结构拓扑优化的方法。优化方法以结构的整体柔度最小为目标函数,以实体材料所占的体积为约束条件,综合采用有限元方法和优化准则法对问题进行求解。该方法与密度惩罚法相比,克服了锯齿形边界,得到了光滑的结构边界;与传统水平集方法相比,不用求解复杂的Hamilton-Jacobi方程,提高了计算效率。在对Heaviside函数正则化处理中,考虑了形状导数和拓扑导数信息,加快了收敛速度。用该方法对梁的拓扑优化设计进行了试算,得到了满意的优化结果。     

基于改进双向渐进结构优化法的桁架结构拓扑优化

为了将双向渐进结构优化法应用于桁架结构优化设计中,结合能量原理和满应力设计准则,推导了以结构最小应变能为目标函数的优化计算公式,提出了可以应用于桁架结构优化的桁架-双向渐进结构优化(T-BESO)法.T-BESO法以杆件截面面积为设计变量,以结构应变能为目标函数,以应力约束和满应力设计准则为约束条件.在T-BESO法中...     

基于仿生子结构的十字交叉节点拓扑优化研究

针对十字交叉节点自重大且传统拓扑优化效果不佳的问题,应用仿生学原理提出一种仿生子结构划分方法,并进行了深入的拓扑优化及3D打印制造研究。首先通过SolidWorks软件建立十字交叉节点原始模型,并以蜂巢为仿生对象进行拓扑优化子结构划分,然后应用HyperWorks有限元软件进行给定荷载条件下的拓扑优化分析,优化目标设置为最大化刚度,约束条件设置为体积约束,其中仿生蜂巢子结构体积约束与其他次要子结构体积约束分别设置为0.8及0.2;最后通过OSSmooth模块进行FEA reanalysis处理,提取拓扑优化结果进行分析,并将拓扑节点有限元模型转化为STL文件,通过3D打印制造出拓扑节点的缩尺模型。研究结果表明：利用仿生子结构拓扑优化方法可仅使用2个子结构便快速得到最佳拓扑构型,其拓扑节点相较于原始节点最大位移降低了7.73%,最大等效应力降低了27.06%,质量降低了34.45%,应用此方法显著提升了结构优化效率和优化效果,将拓扑结果应用3D打印技术进行制造,解决了复杂形体采用传统工艺难以制造的问题。     

基于钢筋分离模式优化的RC深梁静力试验研究

钢筋应力渐进结构优化以钢筋单元应力为灵敏度,针对钢筋分布演化出接近钢筋满应力目标的最优拓扑,为钢筋混凝土(RC)深梁的工程配筋设计提供新方法.按照该方法完成RC简支深梁的优化配筋设计,并开展静力试验.试验过程中发现,随着荷载的增大,深梁表面弯曲裂缝充分开展,剪切裂缝得到有效控制,在达到峰值荷载后存在明显的持荷且变形大幅...