基于可靠性的连续体结构拓扑优化设计

建立水平集函数为设计变量、刚度极小化为目标、具有可靠性约束的连续体结构拓扑优化模型,并提出相应的优化算法.文中提出的基于可靠性的结构拓扑优化算法方法分为两个步骤,结构可靠性分析和结构拓扑优化.可靠性分析采用计算简便、效率高的一次二阶矩法,结构拓扑优化设计则应用稳定高效、最优结构清晰的水平集方法.最后以悬臂梁结构的可靠性拓扑优化为例,表明文中提出的方法既简单又有效.     

基于IPTO算法的连续体结构可靠性拓扑优化

研究结构几何尺寸、结构材料体积及作用载荷不确定条件下的连续体结构可靠性拓扑优化问题,提出基于改进比例拓扑优化(Improved Proportional Topology Optimization,IPTO)算法的可靠性拓扑优化方法.基于概率方法描述变量的不确定性,建立综合考虑材料体积约束和可靠性约束且使柔度最小的连续体结构可靠性拓扑优化数学模型;为提高计算效率,使用基于解耦思想的混合法将可靠性拓扑优化问题解耦成可靠性分析和当量确定性拓扑优化两个独立子问题.在可靠性分析阶段,遵循一阶可靠度法中可靠性指标的几何意义,获取满足可靠性约束且服从正态分布的随机变量,并通过逆变换对其进行修正;在当量确定性拓扑优化阶段,以修正后的随机变量作为设计参数,使用具有无需获取灵敏度信息功能的IPTO算法对结构执行拓扑优化设计.最后使用MBB梁和悬臂梁两个算例证实了所提方法的有效性.     

内燃机活塞点阵结构可靠性拓扑优化设计

针对内燃机活塞轻量化设计问题,提出一种基于可靠性拓扑优化的活塞点阵结构设计方法,分解为可靠性分析和确定性拓扑优化两部分分别进行求解。考虑以最小化质量为目标函数、最大应力为约束条件,建立活塞点阵结构可靠性拓扑优化数学模型。根据一次二阶矩方法将失效概率约束转变为可靠性指标约束,进而将随机变量转化为标准正态变量,根据随机变量相对于性能指标的敏度信息,进行随机变量修正并进行确定性拓扑优化设计。最后,以某型发动机活塞为例,进行确定性点阵设计与可靠性点阵设计对比研究。结果表明,相较于确定性设计,可靠性活塞点阵模型在考虑随机变量的影响下,性能更加可靠;且其质量相较于原活塞模型降低11.8%,满足活塞轻量化的设计需求。     

随机-区间-模糊变量下的结构拓扑优化设计

研究具有随机-区间-模糊混合变量的平面连续体结构在刚度约束下的拓扑优化设计问题。考虑结构的材料物理参数、外部载荷及结构许用柔度分别同时为随机、区间或模糊三种不同类型的变量,首先利用信息熵转化法将模糊变量转换为等价的正态随机变量,然后基于概率可靠性分析方法获得随机变量和区间变量共存时的混合可靠性指标。在此基础上建立了以结构单元有无为设计变量,结构体积极小化为目标函数,满足结构柔度混合可靠性约束的平面连续体结构拓扑优化数学模型,并利用渐进结构优化法求解。通过两个算例验证文中所建模型的合理性及求解策略、方法的有效性。     

三维线弹性连续体的结构拓扑优化设计

研究了基于水平集模型和SIMP方法的三维线弹性结构的拓扑优化方法，优化模型的目标是结构的柔度最小。引入水平集模型隐含描述具有复杂拓扑关系的三维线弹性结构的几何边界，以材料域的形状为变量进行灵敏度分析，构造水平集方程的速度函数，通过几何边界的演化获得结构的最优形状和拓扑。同时研究了基于SIMP方法的三维连续体结构的拓扑优化设计。对基于水平集模型和SIMP的拓扑优化方法的数值算例进行比较，结果表明，基于水平集的三维结构拓扑优化具有光滑的几何边界，数值算法稳定。     

一种基于水平集函数的尺寸优化方法及应用

针对构建结构拓扑、形状、尺寸的统一优化模型的需求,采用水平集函数描述结构尺寸要素的方法,建立了基于水平集法的结构尺寸优化模型。该方法采用水平集函数描述规则孔洞的几何尺寸信息,并通过引入紧支径向基函数进行插值,将尺寸变量转化为基函数的扩展系数。将基于水平集法的尺寸优化方法与基于水平集法的拓扑形状优化方法融合,构建了结构统一优化模型,实现了结构尺寸、拓扑和形状的综合优化。     

结构凸集—概率混合可靠性分析的新方法

对凸集不确定性和随机变量共存的结构混合可靠性模型行研究,以解决部分参量统计信息不足时的结构可靠性评定问题。基于Info-gap理论,建立一种统一的结构非概率可靠性模型,由此导出一种与概率可靠性方法等价的椭球非概率可靠性模型。用一种特定的椭球凸集模型描述随机变量不确定性,与一般性的凸集模型复合,将凸集不确定性和随机变量共存的混合可靠性问题统一为非概率可靠性问题。基于非概率可靠性方法,提出一种一般性的凸集-概率混合可靠性方法。给出的混合可靠性指标同时具有稳健可靠性和概率可靠性意义,可通过含约束的优化问题求解。算例分析显示,当数据分散性较强或较弱时,已有的混合可靠性方法不能有效度量结构可靠性,新方法更具合理性和适用性。     

基于混合元胞自动机法的结构可靠性拓扑优化

针对混合元胞自动机法(Hybrid Cellular Automata, HCA)产生大量灰度单元等数值不稳定问题,引入距离因子,提出一种新的状态变量更新规则,并结合工程结构的不确定性,建立了结构可靠性拓扑优化模型。首先,通过可靠性分析修正随机变量,将可靠性约束转化为确定性约束,然后采用修正后的随机变量进行确定性结构拓扑优化。通过二维和三维算例,对比两种变量更新规则下的优化结果。算例结果表明,提出的状态变量更新规则能有效减少灰度单元数量,并降低了结构的应变能。     

隐式功能函数结构体可靠性拓扑优化

考虑工程实际中外载荷、材料属性等的随机不确定性对结构安全性的影响,研究了具有结构位移可靠性约束的拓扑优化设计。建立以柔度最小为目标、以单元相对密度为变量、具有材料体积分数约束和结构位移可靠性约束的拓扑优化数学模型;针对运用有限元数值计算方法时结构功能函数为隐式的情况,运用响应面法近似逼近结构真实的功能函数;利用简便高效的一次二阶矩法计算结构位移可靠度;采用内循环为确定性的拓扑优化、外循环控制结构材料体积分数的策略对连续体结构进行可靠性拓扑优化设计。通过两个算例与确定性拓扑优化结果进行比较,结果表明所提设计方法是高效可行的。     

SIMP插值的约束层阻尼结构拓扑优化

针对约束层阻尼结构拓扑优化问题,采用SIMP插值模型和变密度方法,构建了以模态损耗因子为目标函数,约束阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。推导了模态损耗因子对设计变量的灵敏度表达式。采用优化准则法,计算了约束层阻尼的最优拓扑构型,给出了拓扑优化计算的流程。结果表明:采用该拓扑优化方法对约束层阻尼材料进行优化布局,能在减少阻尼材料用量的前提下,显著提高结构模态损耗因子,降低频率响应幅值。     

随机参数轴盘扭振结构系统动力特性优化设计

研究具有随机参数的轴盘扭转振动系统动力特性的可靠性优化设计问题。给出在考虑结构材料密度和切变弹性模量为随机变量时,结构系统动力特性数字特征的计算方法,建立以轴和盘的几何尺寸为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数,满足基频或频率禁区可靠性约束的结构系统动力优化设计数学模型,利用复合形法求解。通过算例表明该模型和方法是合理与有效的。     

Concurrent optimization of structural topology and infill properties with a CBF-based level set method

In this paper, a parametric level-set-based topology optimization framework is proposed to concurrently optimize the structural topology at the macroscale and the effective infill properties at the micro/meso scale. The concurrent optimization is achieved by a computational framework combining a new parametric level set approach with mathematical programming. Within the proposed framework, both the structural boundary evolution and the effective infill property optimization can be driven by mathematical programming, which is more advantageous compared with the conventional partial differential equation-driven level set approach. Moreover, the proposed approach will be more efficient in handling nonlinear problems with multiple constraints. Instead of using radial basis functions (RBF), in this paper, we propose to construct a new type of cardinal basis functions (CBF) for the level set function parameterization. The proposed CBF parameterization ensures an explicit impose of the lower and upper bounds of the design variables. This overcomes the intrinsic disadvantage of the conventional RBF-based parametric level set method, where the lower and upper bounds of the design variables oftentimes have to be set by trial and error. A variational distance regularization method is utilized in this research to regularize the level set function to be a desired distanceregularized shape. With the distance information embedded in the level set model, the wrapping boundary layer and the interior infill region can be naturally defined. The isotropic infill achieved via the mesoscale topology optimization is conformally fit into the wrapping boundary layer using the shape-preserving conformal mapping method, which leads to a hierarchical physical structure with optimized overall topology and effective infill properties. The proposed method is expected to provide a timely solution to the increasing demand for multiscale and multifunctional structure design.

     

基于随机模型的动车组制动模块稳健优化设计

针对目前产品优化设计中未考虑设计变量随机性和灵敏度指数对产品质量特性的影响及优化求解效率低等问题,提出一种综合考虑灵敏度指数与质量损失函数的稳健优化设计方法。通过假设设计变量的分布类型,得到设计变量的概率分布特征,将设计变量对产品质量特性的灵敏度指数与质量损失函数加权整合,并以此作为优化目标,以设计变量的容差作为约束条件,构建随机稳健优化模型。通过扩大种群数目、改进控制参数及增加惩罚因子的方法对遗传算法进行改进,结合改进的遗传算法对优化模型进行求解,得到优化模型的全局稳健最优解。以某动车组制动模块为例,采用给出的方法对其进行稳健优化设计,验证该方法的有效性与合理性。优化结果表明,该方法能够实现动车组制动模块的稳健优化设计,提高了制动模块的抗干扰能力。     

考虑载荷随机性的可行域调整的结构拓扑优化设计

考虑载荷大小和方向的不确定性,以结构柔顺度的期望和方差的加权和为目标函数,结构体积为约束函数,研究稳健结构拓扑优化方法。首先给出载荷大小和方向不确定情况下结构柔顺度期望和方差及其导数的显式近似式,而后改进可行域调整方案,提出具有收敛特征的稳健结构拓扑优化设计方法,探讨结构柔顺度期望和方差的权重因子以及随机量的方差对拓扑构型的影响。给出的算例表明,不论是确定载荷拓扑优化还是随机载荷拓扑优化,方法是可行和有效的,且可获得一系列清晰的拓扑构型和稳健的优化拓扑。     

证据理论和区间分析相结合的可靠性优化设计方法

提出一种基于证据理论和区间分析方法的可靠性优化设计方法。对于给定的失效概率许用值f0,通过证据理论求出可靠性约束条件的似真度Pl(F),以Pl(F)f0作为可靠性约束条件的替代模型,进而提出基于证据理论的广义可靠性优化设计建模方法。当仅考虑随机不确定性时,所建立的模型退化为传统的随机可靠性优化设计模型。给出似真度Pl(F)的数值计算方法,并引入区间分析理论计算约束函数的值域,提高似真度的计算效率和可靠性优化的求解速度。开发基于证据理论和区间分析的可靠性优化设计遗传算法程序。给出了内压容器的可靠性优化设计实例。设计实例表明,所提出的方法正确、有效。     

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.     

基于区间不确定性的车架非线性可靠性优化

采用非线性有限元分析方法,用ABAQUS软件对车架的刚度和强度进行了分析。基于分析结果选取对结构强度和质量影响比较大的梁的厚度作为区间的设计变量,把车架材料的密度和泊松比作为不确定量,利用高维模型（TPS-HDMR）构建了设计变量与应力之间的近似模型,运用Kriging模型构建了设计变量与质量的近似模型。采用遗传算法中的NSGA-Ⅱ方法和隔代遗传算法,对车架应力和质量两目标进行了优化,并加入可靠度作为约束,得到了Pareto最优解集。