基于应力的双向渐进结构拓扑优化设计

双向渐进结构优化法（BESO）是近年来兴起的一种解决各类结构优化问题的数值方法,其原理是通过同时删除和增补单元,使剩下的结构逐渐趋于优化。提出了基于应力约束的渐进结构优化方法,与其它优化方法相比,该方法原理简单,计算效率高,工程应用方便,并通过算例证明该方法的有效性和可行性。     

利用双向渐进结构优化法对结构固有振型的优化

利用双向渐进结构优化法研究结构的固有振型优化问题，双向渐进结构优化法(bi—directional evolutionary struetural optimization，简称BESO)是一种拓扑优化方法，它基于这样一个简单的优化程序：从结构中一步步地删去对结构目标性能低效或无效的材料，同时增加对结构目标性能高效的材料，从而使材料布局趋于优化。文中分别采用近似重分析思路的方法和基于变分法推导的公式计算单元特征向量灵敏度，并简单阐述BESO法对结构固有振型(特征向量)进行拓扑优化的一般过程。数值算例表明，用该方法对结构固有振型的优化是行之有效的，且用变分法计算特征向量灵敏度进行优化较之近似重分析法效率更高。     

基于应变能的双方向结构渐进优化方法

渐进结构优化法已发展成为工程设计中的一种重要方法,但由于其误删除单元的不可恢复性限制了它的广泛应用。文中基于在优化结构边界和孔洞周围附加人工材料的思路,并结合evdutionary structural optimization(ESO)方法和单元应变能分析,建立结构有限单元增、删的准则,给出一种基于应变能的结构拓扑双方向渐进优化算法。算例表明该方法是正确和有效的。     

双向渐进结构优化法原理及其动力学优化研究

针对等效静载荷优化(ESLO)计算效率低、优化流程复杂的问题,将双向渐进结构法引入到等效静载荷优化中。以双向渐进结构法作为优化迭代环方法,对动态响应拓扑优化流程进行了改进,并重新定义了收敛准则;通过2个算例验证了该方法的可行性。研究结果表明,当设计循环次数n大于1时,所提出的方法每次设计外循环消耗的时间小于原始方法消耗的时间,因此整体优化时间减少了;说明该方法适用于结构动态响应拓扑优化,同时效率更高。     

基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计

基于双向渐进结构优化法提出一种面向柔性机构的拓扑优化设计策略。由于采用0/1离散拓扑设计变量和启发式变量更新机制,双向渐进结构优化法一般适用于结构刚度相关的凸优化设计问题。柔性机构以最大化驱动端的位移为设计目标,属于典型的非凸优化问题,难以直接应用该方法开展相应的设计。针对于此,通过定义一种由驱动位移和刚度特性（柔顺度）加权平均的优化目标函数,实现基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计。该优化目标函数具有双重功效：（1）通过逐步（设计迭代步）衰减刚度特性的贡献,实现优化问题由刚度设计向驱动设计的动态演化,可应用双向渐进结构优化法开展机构的拓扑构型设计;（2）通过调节加权系数,实现对设计机构的驱动性能和刚度特性的灵活匹配调控,可有效抑制铰链的形成、防止应力集中引起的失效。典型算例的设计结果显示,提出的发展的演化式设计策略可实现稳健且高效的柔性机构设计。     

基于应力刚度约束的连续体双向渐进结构优化

为了使结构优化更好地模拟实际情况,在分析了有限元理论和材料力学关系的基础上.找出了约束之间的本质联系,提出了基于应力、刚度双重约束的渐进结构优化方法.同时,将单元生死技术引入结构优化中.根据有限元分析结果,在杀死低效能单元的同时,在高效单元周围增加单元,实现了结构的双向渐进优化.最后,数值算例表明该方法的有效性,改善了优化结果,提高了优化效率.     

结合专家群体评估法的渐进结构优化算法

结构拓扑优化作为现在迅速发展的结构化设计的一个分支,已得到广泛应用。基于渐进结构优化(ESO)方法,结合灰色理论中的专家群体评估法,得到一种新的处理多目标优化的方法。首先使用线性加权法对一平面简支梁进行优化分析得到三组拓扑结构。然后运用该新方法对同一算例进行优化得到三组拓扑结构。并将最终拓扑结构进行对比。     

基于人工制造约束的三维拓扑优化设计方法

为了更好地解决三维拓扑优化工程实用化的问题,提出了基于人工制造约束的拓扑优化设计方法。该方法在拓扑优化过程中实时地监控拓扑优化结果,并借助设计人员的工程经验,实时地加入符合制造工艺成型的约束条件辅助计算进行机拓扑优化设计。钢结构拱桥算例中以有限元软件ANSYS为平台进行二次开发、以双向渐进结构优化法为核心算法通过人为干预实现了在拓扑优化过程中钢结构拱桥斜支撑向竖直支撑的转变。通过对比发现该方法的优化结果与实际拱桥模型结构相似,表明了该方法是有效的和可行的。     

典型三维机械结构拓扑优化设计

为了提高拥有数万个单元以上的三维机械结构拓扑优化的计算效率, 基于渐进结构优化方法, 并结合结构位移计算的迭代方法, 建立一套三维机械结构拓扑优化的求解策略和算法.然后, 构建分别用于结构分析和结构优化迭代的两套数据流和它们间的映射方法, 研究和开发三维机械结构拓扑优化设计软件.完成几个典型和复杂的三维机械结构的仿真优化设计.设计结果表明,发展的方法和软件是正确和有效的, 且具有广泛的工程应用前景.     

基于ESO方法的梁形状拓扑优化

基于渐进结构均匀化拓扑优化的方法,以体积为目标函数,建立了梁结构的不同布局的拓扑优化模型.利用ESO方法的思想理论推导出梁结构拓扑优化的数学模型,并借助于ANSYS软件平台,利用APDL语言实现了优化算法.数值算例验证了该方法的可行性和有效性,它可减少设计变量的数目,提高求解效率.     

面向飞机颤振模型设计的结构拓扑优化研究

飞机颤振模型的结构设计是一个以固有频率为目标、兼具结构相似要求的反求问题。针对拓扑优化方法只能得到不规则孔洞而无法满足模型相似要求的难题,提出了一种含规则几何约束的结构拓扑优化方法,并将基于单元材料特性更改的方法与双向渐进结构法相结合,利用敏度再分配方法,实现了以频率为目标、具有规则孔洞的结构拓扑优化,且有效抑制了优化中的棋盘格式和局部模态现象。某飞机机身壁板的优化算例证明,该方法能设计出具有给定固有频率的结构,并使之与原机身具有一定的结构相似性。     

基于ANSYS深海极端环境大型生物培养釜的结构优化

针对深海极端环境大型生物培养釜的高压大容积,并要求快速开启的特点,提出了一种新型开启结构。首先采用传统的数值设计方法对培养釜进行初步设计,然后结合机械优化设计方法,采用ANSYS软件中提供的一阶优化方法对该培养釜进行应力分析和结构优化设计,得到了合理的结构设计参数。优化结果表明,在培养釜重量减少约7.75%的基础上,应力分布更加均匀合理,优化效果明显。     

A study on ranked bidirectional evolutionary structural optimization (R-BESO) method for fully stressed structure design based on displacement sensitivity

Evolutionary Structural Optimization (ESO) method is well known as one of several topology optimization methods and has been applied to a lot of optimization problems. While ESO method evolves the given model into an optimum by subtracting several elements, in AESO method elements are added in a previous step of the evolutionary procedure. And in BESO (Bidirectional ESO) method, some elements are either generated or eliminated from a previous model of evolutionary procedure. In this paper, Ranked Bidirectional Evolutionary Structural Optimization (R-BESO) method is introduced as one of the topology optimization methods using an evolutionary algorithm and is applied to several optimization problems. The method can get optimum topologies of the structures throughout fewer iterations comparing with previous several methods based on ESO. R-BESO method is similar to BESO method except that elements are generated near a candidate element according to the rank calculated by sensitivity analyses. The displacement sensitivity analysis was adopted by the nodal displacements of a candidate element in order to determine a rank on the free edges for two dimensional model or the free surfaces for three dimensional model. In this paper, R-BESO method is proposed as another useful design tool like the previous ESO and BESO method for the two bar frame problem, the Michell type structure problem and the three dimension short cantilever beam problem, which had been used to verify reasonability of ESO method family. For the three dimensions short cantilever beam problem an optimized topology could be obtained with much fewer iterations with respect to the results of other ESO methods.     

Bi-directional evolutionary 3D topology optimization with a deep neural network

The FEM-based topology optimization repeats usually finite element analyses many times to converge to the stopping criteria. If the near-optimal topology data are available in advance at the beginning of an optimization process, the iterative computation could be greatly reduced. In an effort to obtain swiftly optimum topology solutions, the deep learning and neural networks with a special segmentation scheme of digital images are combined with the BESO (bi-directional evolutionary structural optimization) topology method in this study. The pre-trained digital images of 3200 optimum topologies construct the design domain for the main topology optimization. Additionally, a new post-processor is developed in order to reconstruct the relative locations among finite elements in the raw outputs generated by the neural network. The proposed method has been demonstrated to be efficient in lowering the iterations with several 2D and 3D optimization examples. The iteration counts can be reduced 63% for a 2D example and by 72.5% for a 3D one, compared to BESO results alone.

     

基于灵敏度变化率的渐进结构频率优化算法

为了提高渐进结构优化方法用于频率优化时计算效率和质量,首先提出了灵敏度变化率的概念.在此基础上,结合ESO方法和频率灵敏度,建立了结构有限单元增、删的准则,给出了一种新的频率优化算法.该算法采用了灵敏度再分配法,有效抑制了优化中的棋盘格,提高了优化效果.提供的算倒表明了该方法在频率优化时的效率和准确性方面有一定程度的提...     

面向CAD系统的连续体结构形状与拓扑优化

针对当前连续体结构优化所面临的有限元模型与CAD模型转换困难,产品设计意图和结构工艺在优化过程中难以保持等问题,研究了面向CAD系统的连续体结构形状与拓扑优化方法。通过分析CAD几何表达和CAE网格划分特点,采用欧拉网格和扩展有限元法,建立面向结构优化的CAD/CAE模型融合机制;而后基于连续体物质导数,推导了CAD直接建模操作敏度,驱动CAD实体模型进行结构形状与拓扑优化。在此基础上,针对操作敏度量纲不一致问题,采用速度场均匀化方法,修正操作敏度,以提高优化收敛效率。通过三维CAD实体模型结构优化实例,验证了上述方法的可行性和求解效率。