多工况应力约束下连续体结构拓扑优化设计

建立多工况应力约束条件下连续体结构拓扑优化的数学模型，给出求解方法。采用包络法处理大量的应力约束，用改进的满应力法进行求解，方法简单、实用。提出的分层优化技术能使最优结构更为清晰。分层优化方法的基本思想是按载荷大小分为几个层次，后面层次的拓扑优化以前面层次得到的最优拓扑为基础，通过逐层优化，最终得到最优结构。分层优化时主要考虑属于本层载荷的影响，避免大小载荷混在一起，最优拓扑模糊不清的问题。为解决各层优化单元厚度相关太大，易造成结构刚度矩阵奇异的问题，提出对相应参数的调整方法。算例表明该方法是有效的。     

基于多性能约束的连续体结构拓扑优化设计

为了满足多性能指标要求,提出一种考虑静强度和疲劳约束的连续体结构拓扑优化设计方法。以带符号的von Mises应力的幅值和均值绝对值之和评定结构静强度,采用修正的Goodman疲劳准则评价结构疲劳强度,将结构静强度和疲劳约束分别转化为不同的应力约束,再采用P范数对单元应力进行近似最大处理,将局部约束转化全局约束。采用材料属性有理近似模型,以结构体积最小化作为优化目标,建立考虑静强度和疲劳约束的结构拓扑优化模型;采用移动渐近线算法求解基于多性能约束的拓扑优化问题。数值算例结果表明,所提设计方法获得的拓扑结构能够同时满足静强度和疲劳性能要求。     

基于随机摄动有限元的连续体随机拓扑优化设计

提出了连续体结构随机拓扑优化设计(STOD)的概念。假定连续体的随机参数满足正态分布,根据随机参数的均值和方差,利用随机摄动有限元理论(SFEA)求出连续体单元应力的均值和方差,利用线性同余法(LCGs)产生伪随机数,得到单元应力的伪随机数值,继而以单元应力的欧氏距离为判别标准,利用K邻近算法(KNN)对连续体结构进行拓扑优化设计,最后给出了计算示例。     

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。     

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。     

多工况载荷下连续体结构拓扑优化设计研究

在充分研究多工况下连续体结构拓扑优化的研究现状和理论的基础上,采用密度插值格式和优化准则法,以各工况载荷下的结构刚度最大化为优化目标函数,基于线性加权和法建立多工况下结构拓扑优化设计模型,给出基于敏度过滤技术改进的设计变量更新格式,并提出确定载荷权重的新方法即α-方法.该方法简单、实用,算例证明了其有效性.     

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。     

连续体结构的静动态多目标拓扑优化方法研究

为实现以静态多工况下刚度和动态特征值为目标函数的拓扑优化结构设计,提出一种连续体结构的静动态多目标拓扑优化模型.以平均柔度最小化和平均特征值最大化为目标,采用标准化方法定义多目标拓扑优化的目标函数,根据决定函数大小来选择最优的妥协解,并且对目标函数进行归一化,消除不同性质目标函数在数量级上的差异.拓扑优化采用同体各向同性材料插值方法,将移动近似算法用于多目标拓扑优化问题的求解,并且用过滤求解技术避免拓扑优化中数值不稳定性现象.数值算例结果表明,文中提出的方法在连续体的静动态多目标拓扑优化设计中是正确的和有效的.     

Massively efficient filter for topology optimization based on the splitting of tensor product structure

In this work, we put forward a massively efficient filter for topology optimization (TO) utilizing the splitting of tensor product structure. With the aid of splitting technique, the traditional weight matrices of B-splines and non-uniform rational B-spline implicit filters are decomposed equivalently into two or three submatrices, by which the sensitivity analysis is reformulated for the nodal design variables without altering the optimization process. Afterwards, an explicit sensitivity filter, which is decomposed by the splitting pipeline as that applied to implicit filter, is established in terms of the tensor product of the axial distances between adjacent element centroids, and the corresponding sensitivity analysis is derived for elemental design variables. According to the numerical results, the average updating time for the design variables is accelerated by two-order-of-magnitude for the decomposed filter compared with the traditional filter. In addition, the memory burden and computing time of the weight matrix are decreased by six- and three-order-of-magnitude for the decomposed filter. Therefore, the proposed filter is massively improved by the splitting of tensor product structure and delivers a much more efficient way of solving TO problems in the frameworks of isogeometric analysis and finite element analysis.     

基于监督保局子空间虚假近邻准则的原始特征选择

提出一种基于监督保局投影(SLPP)与虚假最近邻(FNN)准则的原始特征选择方法。该方法首先将非线性原始数据映射到监督保局子空间,消除样本数据输入变量之间的相关性;然后,利用虚假近邻点方法计算剔除每个原始特征前后输入样本在监督保局子空间里的相似性测度,获得每个原始特征对类别变量不同程度的解释力;最后,从全特征开始逐步剔除解释能力弱的特征进而获得多组特征子集,并建立最近邻分类器,识别率最高且含特征数最少的特征子集即为最优特征子集。采用合成数据对该方法进行了仿真验证,结果表明,该方法可获得与数据集本质分类特征吻合的最佳特征子集。将该方法应用于选择真实的低阻油气层特征,获得的最佳特征子集比全特征集合的特征数量减少了50%以上,分类识别率高出8%。结果显示该方法具有优秀的原始特征选择能力,是一种有效的非线性特征选择方法。     

基于动态特征矩阵的k近邻风电机组故障检测方法

受风的间歇性和随机性影响风电机组运行状态频繁切换,导致设备状态异常检测误报和漏报情况严重,风电企业运维成本居高不下。为此,提出了基于动态特征矩阵的k近邻故障检测方法,该方法采用基于互信息的动态特征矩阵描述风电机组的动态特性,通过加权k近邻同时考虑动态特征矩阵中的特征贡献率与累计互信息的影响,利用动态阈值计算降低运行状态突变造成的误报。分别以美国可再生能源实验室5 MW海上风机基准模型的常见传感器和执行器故障以及SCADA数据中记录的变桨系统故障为例,将所提方法的故障检测结果分别与PCA、KPCA、FD-kNN以及PC-kNN故障检测方法进行对比,结果表明所提方法能够准确进行故障信息的检测,所提方法优于其他对比故障检测方法。     

基于遗传算法的车体钢结构的结构优化

以轻量化为目标,采用遗传算法对25T型钢结构客车车体进行结构优化设计。以底架横梁的布局和截面类型为设计变量进行拓扑优化和截面优化的组合优化。     

基于支持向量机与最近邻分类器的模拟电路故障诊断新策略

针对模拟电路的故障诊断和定位问题,提出了一种基于支持向量机分类器(SVC)和最近邻分类器(NNs)的模拟电路故障诊断新策略,利用SVC解决高维故障样本的分类问题,而采用NNs解决故障样本间的重叠问题。首先建立"1-v-r"结构的SVC对电路故障样本进行训练,并根据训练参数构建故障字典;其次,在测试阶段,根据算法决定利用SVC或NNs对未知样本进行测试。本文设计的故障分类器方法简单,结构确定,通过对两个模拟电路的实验表明,所提出的方法性能要优于常规的"1-v-r"支持向量机分类器;与"1-v-1"支持向量机分类器的诊断性能较为接近,但测试时间较后者显著减少,较为适合模拟电路的故障诊断。     

Isogeometric topology optimization based on energy penalization for symmetric structure

We present an energy penalization method for isogeometric topology optimization using moving morphable components (ITO–MMC), propose an ITO–MMC with an additional bilateral or periodic symmetric constraint for symmetric structures, and then extend the proposed energy penalization method to an ITO–MMC with a symmetric constraint. The energy penalization method can solve the problems of numerical instability and convergence for the ITO–MMC and the ITO–MMC subjected to the structural symmetric constraint with asymmetric loads. Topology optimization problems of asymmetric, bilateral symmetric, and periodic symmetric structures are discussed to validate the effectiveness of the proposed energy penalization approach. Compared with the conventional ITO–MMC, the energy penalization method for the ITO–MMC can improve the convergence rate from 18.6% to 44.5% for the optimization of the asymmetric structure. For the ITO–MMC under a bilateral symmetric constraint, the proposed method can reduce the objective value by 5.6% and obtain a final optimized topology that has a clear boundary with decreased iterations. For the ITO–MMC under a periodic symmetric constraint, the proposed energy penalization method can dramatically reduce the number of iterations and obtain a speedup of more than 2.     

结构渐进拓扑优化的斗轮轮体结构优化

以大型有限元通用软件ANSYS作为平台,将一种基于应变能密度的结构拓扑优化方法用于散装物料堆取设备一斗轮机的斗轮轮体结构的拓扑优化,并在其中采用灵敏度再分配算法抑制棋盘格的产生.结果表明,该方法可用于工程实际,运用单元属性改变(EPCM)技术进行基于渐进结构优化(ESO)的结构拓扑优化有很大的灵活性和实用性.     

基于拓扑优化的卧式旋压机床身加强肋布局优化设计方法

提出了基于拓扑优化的卧式旋压机床身加强肋布局优化设计方法。在确定设计空间及载荷后,采用带惩罚的变密度法(Solid Isotropic Microstructures with Penalization,SIMP)的结构拓扑优化技术,以多工况静力结构柔度和1阶自然频率为优化目标,建立了床身模结构拓扑优化模型,并在考虑工艺性的前提下,确定了床身板件焊接加强肋的最优布局。优化前、后的对比表明,优化后床身的静、动态性能均得到了显著提高,最大应力下降了13.39%,导轨刚度提高10.78%,1阶自然频率提高了9.28%。     

基于拓扑优化的薄板加筋方法研究

针对常规薄板加筋方法中加筋比和厚度比的选取具有一定随意性的问题,通过编程实现最优加筋比和厚度比的选取。鉴于常规加筋方法中设计变量较单一,通过对基板的拓扑优化,将薄板加筋结构中的筋条布局设计跟拓扑优化方法联系起来,使结构中筋条的布局设计问题转化为基板中材料的分布问题,增加了筋条的设计变量。相对于常规加筋方法,拓扑优化指导加筋的方法能够达到减重的效果。