基于KNN方法的多约束下连续体结构拓扑优化设计

提出了多约束下连续体结构拓扑优化设计的K邻近(KNN)方法。首先以结构单元作为样本,将整个设计区域看作是样本空间,将连续体结构拓扑优化看作是一种对单元的模式识别;然后利用单元应力和位移灵敏度作为单元样本的特征向量,利用特征向量的欧氏距离为识别标准,引入模式识别的KNN方法进行多约束下的连续体结构拓扑优化设计;最后给出计算示例的优化结果来表明该方法是可行的。     

非正态分布的连续体结构可靠性拓扑优化设计

由于具有不确定性参数的连续体结构普遍存在,因此研究不确定性参数连续体结构的可靠性拓扑优化问题具有十分重要的意义。在基本随机变量前四阶矩已知的情况下,利用四阶矩技术以及有限元方法求解连续体结构的可靠度,对隐式的可靠度约束进行显式化处理。将连续体的拓扑优化设计视为一种对单元的模式识别,将模式识别领域的K邻近方法引入到连续体结构拓扑优化设计领域,以结构的单元应力作为识别的变量,利用应力的欧拉距离作为判别的标准,对连续体结构进行可靠性拓扑优化设计。通过数值算例与确定性设计结果进行对比,结果表明,考虑了可靠度影响的拓扑优化结果要优于确定性参数的优化结果,同时表明该计算方法是可行的。     

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.     

连续体结构的多目标拓扑优化设计

为实现静动态多目标下连续体结构的拓扑优化设计,以静态柔顺度最小化和动态特征值最大化加权函数为目标,提出并建立静动态多目标下连续体结构拓扑优化模型,实现了相应的算法和算例。方法中采用(rational approximation of material properties,RAMP)方法对密度进行惩罚,利用优化准则法控制设计目标与材料分布,以敏度过滤技术抑制棋盘格效应,通过归一化目标函数有效地避免不同性质目标函数的量级差异。通过算例,获得了静动态权重系数对结构拓扑构型和目标函数(宏观结构的柔度和基频)的影响规律,算例结果表明了该方法的有效性。     

连续体结构的柔顺机构拓扑优化设计

通过对连续体结构柔顺机构的拓扑分析,提出了连续体柔顺机构拓扑优化方法,即同时考虑最大化的互应变能和应变能,即系统的刚度和柔度;建立其数学模型并用此分析其约束的敏度。     

基于非概率可靠性的连续体结构拓扑优化设计

研究区间参数的连续体结构在区间载荷作用下的拓扑优化设计问题.构建区间载荷作用下区间参数连续体结构的拓扑优化设计数学模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数,满足单元区间应力非概率可靠性为约束条件.基于区间因子法,导出应力响应的均值和离差的计算表达式.采用双方向渐进结构优化(bi-directional evolutionary structural optimization, BESO)的求解策略与方法.通过两个算例验证文中模型及求解策略与方法的合理性和方法的有效性.     

多相材料的连续体结构拓扑优化设计

采用改进的过滤技术进行多相材料的连续体结构拓扑优化设计。以应变能最小化作为目标函数,结构体积作为约束,建立多相材料的连续体结构拓扑优化模型,将移动近似算法用于拓扑优化问题求解,采用改进的过滤求解技术对目标函数灵敏度及单元设计变量进行过滤,避免迭代过程中出现数值不稳定现象。数值算例结果表明,采用改进的过滤技术的多相材料连续体结构拓扑优化设计方法是有效的,能够获得清晰的结构拓扑图。     

传热结构摄动敏度分析及动态拓扑优化

针对传热强化拓扑优化过程中新形成的孔洞边界对拓扑优化影响的问题,研究了考虑孔洞影响的拓扑导数分析技术,并提出了优化过程中对新形成孔洞边界进行处理的自适应动态边界处理方法。应用Lebesgue微分理论,基于域摄动敏度分析和局部极限定律,推导了Poisson方程控制系统在三类边界条件下不同目标函数的拓扑导数计算公式;最后通过数值分析实例验证了采用该方法直接设计高效换热器的可行性和有效性。     

面向制造的连续体结构拓扑优化设计方法研究

为了更好地解决结构拓扑优化的工程实用化问题,研究了一种面向制造的连续体结构拓扑优化设计的方法,即面向制造的分级拓扑优化方法。该方法可使优化结果同时满足设计性能和制造性能的要求。为消除数值不稳定,研究了密度和敏度混合高斯函数过滤算法,该算法能有效解决棋盘格式及网格依赖等数值不稳定问题,并能获得良好的优化结果。利用研究的分级拓扑优化方法和有关算法,对经典算例进行计算,所得结果验证了该方法的可行性和有效性。     

基于自适应遗传算法的连续体结构的拓扑优化

采用遗传算法 ,用染色体基因映射结构离散化后的单元体 ,通过改变基因代码实现连续结构的拓扑。优化过程中 ,利用遗传算法进行结构优化 ,通过有限元技术对结构进行建模和分析。在遗传算法中 ,采用自适应的交叉和变异算子 ,提高优化分析效率 ,改善优化分析结果。算例分析表明所提出的方法是有效的。     

基于混合元胞自动机算法的连续体结构非线性拓扑优化

采用一种无梯度的混合元胞自动机(HCA)算法,通过将元胞自动机(CA)规则与LS-DYNA求解器耦合来实现拓扑优化,解决了材料非线性小变形工况在迭代过程中的振荡不收敛及突变现象。通过引入体积约束函数并不断更新应变能密度目标值,使优化结构的质量能够精确收敛于目标质量,实现了拓扑优化结果对结构尺寸优化的目的。研究结果表明,非线性分析对实际工程中的结构优化设计非常重要,结合LS-DYNA求解器的HCA拓扑优化算法对求解非线性问题高效可靠,能够有效减少奇异解并消除棋盘格现象,具有良好的工程应用价值。     

应用拓扑优化理论进行结构概念设计

介绍了将拓扑优化方法与CAD/CAE系统进行集成,应用于解决船舶舵叶连接法兰面加工专机的升降台的拓扑结构优化.优化结果为结构详细设计阶段提供了设计优化区域和原型.     

基于拓扑优化的天线座叉臂结构设计

针对某雷达天线座叉臂结构刚度不满足设计要求的问题,提出了将连续体结构拓扑优化方法应用到叉臂结构优化设计中,通过优化,确定满足刚度要求、重量最小化的叉臂结构中材料的最佳分布形式,并以此为依据对原设计方案进行了改进设计,仿真结果表明,改进后的叉臂结构刚度得到明显提高.     

基于应变能和拓扑描述数组的三维弹性体拓扑优化设计

提出一种基于应变能和拓扑描述数组的三维弹性体拓扑优化设计方法。该方法通过定义三维弹性体的拓扑描述数组实现了在拓扑优化设计的过程中单元网格的快速重新划分及结构拓扑信息的记录、设计域及非设计域的定义和单元的删除,将应变能低的单元定义为低效或无效的单元,在拓扑优化的过程逐步去除应变能低的单元获得结构的优化拓扑,该拓扑优化设计方法采用ANSYS软件的APDL语言实现。在程序设计中采用巧妙的增加应变能阈值的技术以避免设计灵敏度分析所带来巨大的计算工作量,从而提高了拓扑优化的效率,在整个拓扑优化设计过程中不需要人工控制的参数,程序通用性好。数值结果表明该方法高效简单,得到的最优拓扑符合工程结构的特点。     

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。     

连续体拓扑优化中的过滤算法研究

总结分析了拓扑优化中几种克服数值不稳定性现象的方法及其在应用效果、易实施性等方面的特点，提出一个新的过滤模板，其可根据过滤半径过滤指数进行适当调整。通过短悬臂梁位移约束下的拓扑优化设计算例研究了不同过滤对象、过滤半径、过滤指数和应用策略对拓扑优化结果的影响，计算结果表明该模板能有效消除拓扑优化中的数值不稳定现象。