考虑混合约束的柔顺机构拓扑优化设计

为了满足制造工艺和静强度要求,提出一种综合考虑最小尺寸控制和应力约束的柔顺机构混合约束拓扑优化设计方法。采用改进的固体各向同性材料插值模型描述材料分布,利用多相映射方法同时控制实相和空相材料结构的最小尺寸,采用最大近似函数P范数求解机构的最大应力,以机构的输出位移最大化作为目标函数,综合考虑最小特征尺寸控制和应力约束建立柔顺机构混合约束拓扑优化数学模型,利用移动渐近算法求解柔顺机构混合约束拓扑优化问题。数值算例结果表明,混合约束拓扑优化获得的柔顺机构能够同时满足最小尺寸制造约束和静强度要求,机构的von Mises等效应力分布更加均匀。     

考虑混合约束的柔顺机构拓扑优化设计

为了满足制造工艺和静强度要求,提出一种综合考虑最小尺寸控制和应力约束的柔顺机构混合约束拓扑优化设计方法。采用改进的固体各向同性材料插值模型描述材料分布,利用多相映射方法同时控制实相和空相材料结构的最小尺寸,采用最大近似函数P范数求解机构的最大应力,以机构的输出位移最大化作为目标函数,综合考虑最小特征尺寸控制和应力约束建立柔顺机构混合约束拓扑优化数学模型,利用移动渐近算法求解柔顺机构混合约束拓扑优化问题。数值算例结果表明,混合约束拓扑优化获得的柔顺机构能够同时满足最小尺寸制造约束和静强度要求,机构的von Mises等效应力分布更加均匀。     

基于映射的拓扑优化最大尺寸控制方法

拓扑优化方法经过几十年的发展,已成功应用于机械工程、航空航天、电磁等领域的构型设计中。然而,由于制造工艺的限制,拓扑优化结果通常无法直接应用,需根据工艺要求进行修改,因此在拓扑优化模型中考虑制造约束成为重要的研究方向。其中,尺寸控制广泛存在于大部分制造工艺中,主要包括最小尺寸控制与最大尺寸控制。该文提出了一种基于映射的拓扑优化最大尺寸控制方法,构造了一种新的映射模型,对结构中不满足最大尺寸约束的中心单元密度进行惩罚,在不引入任何约束条件的情况下实现了对结构最大尺寸的控制。此外,该文将该方法中的惩罚转变为一个全局约束条件后与具有最小尺寸控制功能的拓扑优化鲁棒列式相结合,实现了对构件的最大最小尺寸协同控制。数值算例表明了该方法的有效性。     

横向力作用下的悬臂桁架结构拓扑优化

研究了应力约束下最小重量悬臂梁桁架结构的拓扑优化设计。根据Michell理论,首先用解析方法和有限元方法建立满应力类桁架连续体结构。然后选择其中部分杆件形成离散桁架作为近最优结构,并建立桁架的拓扑优化解析表达式。采用解析方法证明最优拓扑结构的腹杆中间结点在节长的四分之一位置。最后采用解析和数值方法对自由端受集中力和侧边受均布力作用的桁架进一步拓扑优化,确定了桁架的节数和每节的长度,最后得到拓扑优化桁架结构。得到的拓扑优化桁架比工程上普遍采用的45°腹杆桁架的体积少20%以上。     

考虑材料参数不确定性结构动力学稳健性拓扑优化设计

本文在考虑材料参数不确定性的条件下,对连续体结构动力学稳健性拓扑优化设计进行研究.在使结构的第一阶固有频率最大化的同时,显著减小其对材料性能不确定性的影响.基于非概率凸集模型,将材料参数的不确定性用有界区间变量表示;建立了能够抑制频率改变的结构动力学拓扑优化模型,用单层优化策略求解稳健性优化设计问题.通过对材料参数的导数分析,获得了在材料性能不确定情形下结构第一阶固有频率的二阶泰勒展开式,并推导出了频率对拓扑变量的一阶灵敏度显性表达式.基于变密度法,开展了结构动力学稳健性拓扑优化设计,并与确定性优化结果进行对比,验证了用本文方法获得的结构第一阶固有频率稳健性更高,受材料参数不确定性扰动影响更小,展示了考虑材料参数不确定性的重要性.     

Minimum length scale constraints in multi-scale topology optimisation for additive manufacturing

ABSTRACT

This paper performs a combined numerical and experimental study to explore the role of minimum length scale constraints in multi-scale topology optimisation. Multi-scale topology optimisation is generally performed without considering the actual unit cell size, while an arbitrary value considerably smaller than the part is selected afterwards. However, this procedure would be problematic if including geometric constraints, e.g. minimum length scale constraints, since geometric constraints cannot be applied without knowing the unit cell dimensions. To address this issue, unit cell size should be defined beforehand, and guidelines will be provided in this work through a thorough numerical exploration, i.e. compliance minimisation multi-scale topology optimisation with different unit cell sizes and a consistent minimum length scale limit will be performed. The numerical results indicate that selecting the unit cell size considerably smaller than the part and larger than the length scale limit would be recommended. Then, experiments are conducted to explore the effect of minimum length scale limit on the stiffness and strength of the multi-scale design. It is observed that increasing the minimum length scale limit would reduce the structural mechanical performance in both aspects.     

尺度关联的微结构构型与排布的材料/结构动力学设计

考虑微观尺度和宏观尺度的关联, 将微结构胞元设计和多尺度均匀化设计结合, 建立了由相同尺寸和内部构型的微结构胞元组成的复合材料结构的材料/结构一体化动力学优化设计方法, 给出了相应的算例。方法中引入了微观和宏观两个尺度上的独立密度变量, 采用材料属性的合理近似模型对密度进行惩罚, 利用有限元超单元技术建立材料与结构的联系。基于算例获得了超单元尺寸与微观、宏观材料用量对结构拓扑构型的影响规律。将算例结果与已有方法的结果比较, 表明本文方法具有合理有效性, 可作为对轻质结构进行动力学设计的一种新方法。