导重法求解单工况的拓扑优化问题

在拓扑优化中,因为设计变量多并且目标函数和约束函数都是设计变量的隐函数,求解难度较大,所以寻找更快更好的求解方法一直都是拓扑优化问题的研究重点。为此,将导重法引入到拓扑优化的求解中,介绍质量约束下求结构最优性能问题和性能约束下求结构最小质量问题的导重法迭代准则,采用密度惩罚(Solid isotropic material with penalization,SIMP)方法建立单工况下求最小柔度和最小质量这两类拓扑优化问题的优化模型,推导出用导重法求解这两类问题的迭代公式并计算了相应的算例,与ANSYS中采用的优化准则法(Optimality criteria,OC)和序列凸规划法(Sequential convex programming,SCP)进行对比分析。通过计算和对比分析显示出用导重法求解拓扑优化问题具有迭代公式简单、适用范围广、收敛速度快、求解效果好的优点。导重法为拓扑优化问题的求解提供了一条新的途径。     

惯性载荷下飞行模拟器大臂结构的拓扑优化

采用导重法对惯性载荷下、以转动惯量为约束的拓扑优化问题进行求解。导重法经过改进,可以得到固定载荷下以整体柔顺度为目标、以转动惯量为约束的拓扑优化迭代公式。考虑到迭代计算时惯性载荷本身随各向同性固体微结构惩罚模型(Solid isotropic micro-structures with penalization,SIMP)中的伪密度的变化,进一步推导重力作用下的单工况拓扑优化迭代公式和重力-离心力同时作用下的多工况拓扑优化迭代公式,并通过相应算例证明其可行性和有效性。将得到的迭代算法应用于飞行模拟器大臂的优化设计中,并将由此得到的拓扑形貌与商业化优化软件Optistruct中得到的结果进行比较。对比显示:该算法比传统的序列线性规划法(Sequential linear programming,SLP)或移动渐近线法(Method of moving asymptotes,MMA)的优化效果更佳,且二者的迭代效率差别不大。导重法为惯性载荷作用下以总体柔度为目标、以转动惯量为约束的拓扑优化问题提供新的有效的解决思路。     

基于Epsilon算法加速的导重法拓扑优化求解研究

针对拓扑优化模型求解过程中需要多次迭代才能得到满足一定精度要求的收敛结果的问题,提出了一种基于向量Epsilon算法加速迭代序列收敛的方法。在求解大型连续体结构拓扑优化过程中,依据导重法迭代格式首先迭代了k次,然后对所得到的迭代序列的后m项作Epsilon算法运算,将所得到新向量作为下次导重法迭代的初始值,以此类推直到满足收敛条件。通过两个算例验证了所提出方法的有效性。计算及研究结果表明,用Epsilon算法加速后的迭代格式求解拓扑优化问题能够减少迭代次数,具有更高求解效率。     

多载荷工况下无网格Galerkin法的拓扑优化

连续体结构拓扑优化位于产品的概念设计阶段,能够为产品结构的创新提供可能。基于此,提出以节点相对密度作为设计变量,以多载荷工况下结构柔度的加权平均值为目标函数,建立多载荷工况下基于无网格迦辽金法的连续体结构拓扑优化模型,利用Lagrange乘子法来施加本质边界条件,推导出相应的灵敏度计算公式。结合固体各向同性惩罚插值模型编写程序完成两个多工况的拓扑优化算例,并对单、多工况的优化结果进行了比较。所得结果表明,多工况的优化结果并不是单工况结果的简单迭加。同时利用节点密度的最大优势是影响域中的密度与位移具有相同的逼近策略,从而使所建立的模型能有效地提高密度场的连续性,并从模型上抑制了棋盘格现象,该方法的可行性得到验证。     

无网格法结构拓扑优化模型的GPU并行加速求解及应用

基于无网格法的连续体结构拓扑优化,具有计算精度高、可消除传统拓扑优化中的数值不稳定性等优势,然而无网格法结构拓扑优化模型的求解存在计算耗时长的问题。为此引入GPU(Graphic processing unit,GPU)并行加速技术,开展无网格法结构拓扑优化模型的GPU并行加速求解及应用研究,以缩短拓扑优化模型的求解耗时。基于交叉节点对思想构建了拓扑迭代中刚度矩阵的GPU并行组装流程,结合CUDA(Compute unified device architecture,CUDA)库函数与预处理共轭梯度法实现了离散方程的GPU并行加速计算,且通过提前计算并存储形函数及其导数值以避免重复计算,建立了无网格法拓扑优化模型的GPU并行加速求解算法。通过二维悬臂梁算例验证了算法的正确性,完成了二维曲形支架、三维支撑平台以及多工况固支梁的拓扑优化设计,并分析了GPU并行算法的加速性能。算例结果表明所提GPU并行加速算法的计算结果正确,且极大地提高了无网格法拓扑优化模型的求解效率。     

结构最优设计的一种自动高效迭代算法

论述结构优化数学规划法与准则法迭代求解的计算效率 ,讨论准则法遇到的两类困难与解决途径 ,介绍一种高效结构优化理性准则法———导重法所使用的步长因子法及其在自动迭代计算中存在的问题 ,提出一种求解结构优化准则方程组的自动高效迭代算法———类埃特金法 ,大量算例表明 ,该算法具有优化效率高 ,无需人为干预 ,适用范围广的优点。     

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.     

限界法克服连续体结构拓扑优化载荷病态问题

在连续体结构拓扑优化中,当结构所承受的工况载荷幅值相差多个量级时,使用传统优化方法所得结果中可能存在载荷病态问题。为了解决载荷病态问题,提出了基于限界法的优化求解思路。首先,通过限界法将多目标优化问题转化为单目标优化问题,结合变体积约束限技术,建立新的等效近似优化模型;当同一工况内有载荷病态时,在优化模型中增加柔顺度小量变化约束。然后,基于Heaviside密度过滤,对目标函数和约束函数进行灵敏度计算,采用移动渐近线算法（MMA）优化求解。最后,通过二维和三维算例,验证了所提方法的可行性和有效性。与现有方法比,该方法可高效地获得0/1分布更清晰、性能更优的结构拓扑。     

基于导重法的结构类周期性布局优化方法研究

受外形尺寸限制,一些结构的优化区域无法划分为均匀一致的有限元网格。由此产生的单元体积依赖性,常规周期性拓扑优化无法求解。提出一种基于导重法的结构类周期性布局优化方法。以最小柔度为目标函数,结构质量为约束条件,构建结构类周期性布局优化的数学模型。利用导重法推导出结构类周期性布局优化的迭代准则,解释其物理意义并给出其优化流程。以单元应变能密度为基础,提出一种改进的过滤方案以解决结构类周期性布局优化中单元体积依赖性问题。利用所提出的方法,对循环对称结构、二维汽车轮毂结构和梯形结构进行结构类周期性布局优化研究。研究结果表明,子域数目不同时均可以得到具有类周期性布局的最优拓扑形式。通过性能指标和相对应变能两个指标来评价三个算例的最优拓扑形式,验证了利用导重法求解结构类周期性布局优化的可行性和有效性。     

多工况载荷下连续体结构柔顺度拓扑优化问题的新的求解方法

针对以多工况载荷下结构柔顺度最小为目标函数,结构体积为约束条件的优化问题,提出了一种新的拓扑优化求解方法。首先,参考限界公式法,通过一个限界变量将原多个目标函数转化为约束条件,引入一个新的该限界变量的二次函数作为目标函数。同时,结合变体积约束限技术,建立新的近似拓扑优化模型。然后,基于有理近似材料模型和移动渐进线方法,给出了目标函数和约束函数及其导数的显式近似式。利用光滑化对偶算法,构建了具有收敛性的多工况载荷下连续体结构的柔顺度拓扑优化算法。给出的算例结果表明,与现有方法比,该方法可获得更优解或可高效地获得相同的优化解。且所提方法可稳健地获得清晰0/1分布的优化结构拓扑。     

基于密度体积插值方法的结构拓扑优化

针对变密度法结构拓扑优化中灰度单元的控制问题,提出了一种密度体积插值方法。该方法构造的刚度与相对密度之间的线性关系保证了迭代中单元刚度变化的稳定性;构造体积与相对密度之间的惩罚关系以实现惩罚中间密度,同时更有利于在中间密度向两端逼近的同时降低灰度单元的数量。应用该插值方法对位移约束体积最小化问题进行求解,所得结果显示,增大惩罚程度,优化过程浮动较小,算法相对稳定。与应用SIMP方法和RAMP方法的优化结果相比较可知,在求解同一结构拓扑优化问题时,采用该方法且增大惩罚程度后的优化结果中灰度单元减少明显。     

基于不同过滤函数的ICM拓扑优化混合建模方法

基于独立连续映射（ICM）法中设计变量独立性的特点，提出一种混合插值建模方法。该方法基于两类常见插值函数分别对单元体积、单元刚度阵进行过滤识别，通过两两组合，得到四种不同的拓扑优化模型。四种模型中，除体积目标函数一、二阶导数表达式不同外，它们的结构响应量的敏度分析和优化建模方法相同，从而保证了优化求解算法的一致性。通过拓扑优化数值算例对比分析了不同模型参数下的拓扑优化结果，结果表明，混合建模方法在连续体结构拓扑优化建模中具有可行性和有效性。     

Solving topology optimization problems by the Guide-Weight method

Finding a good solution method for topology optimization problems is always paid attention to by the research field because they are subject to the large number of the design variables and to the complexity that occurs because the objective and constraint functions are usually implicit with respect to design variables. Guide-Weight method, proposed first by Chen in 1980s, was effectively and successfully used in antenna structures’ optimization. This paper makes some improvement to it so that it possesses the characteristics of both the optimality criteria methods and the mathematical programming methods. When the Guide-Weight method is applied into topology optimization, it works very well with unified and simple form, wide availability and fast convergence. The algorithm of the Guide-Weight method and the improvement on it are described; two formulations of topology optimization solved by the Guide-Weight method combining with SIMP method are presented; subsequently, three numerical examples are provided, and comparison of the Guide-Weight method with other methods is made.     

基于水平集方法的结构可靠性拓扑优化

基于水平集方法,建立以水平集函数为优化变量、结构柔度极小化为目标、具有可靠性约束的结构拓扑优化模型,并提出一种基于可靠性的结构拓扑优化算法。首先,采用计算效率高的一次二阶矩法进行可靠性分析,编制计算可靠性指标的最优化方法。然后,根据结构可靠性指标的几何意义,优化求解符合可靠性约束的随机变量。将修正后的随机变量作为确定性变量进行结构拓扑优化设计,使基于可靠性的结构拓扑优化模型转为常规的结构拓扑优化模型,采用稳定、高效的水平集方法进行结构拓扑优化。最后以悬臂梁结构的可靠性拓扑优化为例,说明文中所提算法的简便性与有效性。     

分布式柔性机构拓扑优化设计的理论和算法

将连续体结构的拓扑优化技术应用到分布式柔性机构的设计中,基于变密度法和优化准则法推导并建立柔性机构拓扑优化的一种显式的设计变量收敛格式。结合分布式柔性机构优化设计的人工弹簧模型和虚拟载荷法,提出一种新型的分布式柔性机构拓扑优化设计的多准则优化模型,同时综合考虑柔性机构设计的机械效率要求和结构的刚度要求,并利用伴随敏度分析法进行敏度分析。数值算例证明研究方法的有效性,并分析和讨论优化模型和收敛格式中有关优化设计参数对柔性机构优化设计结果的影响。用激光快速成形技术验证柔性机构概念设计的合理性。     

连续体结构综合优化设计

以连续体为对象的优化解法所求得的优化结果,经常只是反映最佳传力途径的具有锯齿状边界的某个区域。基于此,将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助几何设计有机地集成在一起,提出一种基于隐含边界描述的水平集连续体结构拓扑和形状渐进综合优化设计方法,将形状导数与拉格朗日乘子法引入到优化敏度分析中,控制水平集函数的动态运动,从而间接地实现结构边界的动态演化;用B样条曲线曲面逼近拓扑优化后的结构体边界,将前一优化过程所得到的反映传力途径的概念解上升为具有光顺边界,并被参数化了的物理解;在形状优化中,设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动,建立边界节点移动速度场计算方法和边界形状调整方法,寻求较快的搜索方向,以合理速度分布,使结构变为最佳。通过一个典型算例证明所研究方法的有效性。     

基于面光滑有限元的复杂三维结构拓扑优化

为了增强拓扑优化计算对任意复杂模型的适应性,改进基于线性四面体有限元的拓扑优化结果,引入了一种新型高精度的基于面光滑有限元模型(FS-FEM)来进行拓扑优化,通过每次迭代时提供很好的梯度解及位移解,从而达到改善拓扑优化结果的目的。在基于面光滑有限元模型的拓扑优化中,以柔度最小作为目标函数,建立了基于固体各向同性材料惩罚插值(SIMP)的拓扑优化数学模型,该数学模型通过最优准则进行求解。多个不同载荷的拓扑优化数值算例说明,采用基于面光滑有限元进行拓扑优化,结果都能够单调收敛,且采用该方法建立的拓扑优化模型能抑制棋盘格现象。与商业软件OptiStruct的计算比较表明,该方法相比有限元方法能得到更合理的拓扑结构。     

传热结构自适应拓扑优化准则法研究

合理的散热通道分布是提高小空间大热流密度传热结构散热性能最有效的手段。针对现有传热结构拓扑优化设计结果形态过于复杂,存在棋盘格、灰度单元等数值不稳定现象,提出一种基于基结构的散热通道分布的自适应拓扑优化方法。研究了适用于传热结构拓扑优化问题的基结构构建技术,建立满足库恩-塔克（Kuhn-Tucker,KKT）最优准则条件的迭代公式;以散热弱度最小为优化目标,以杆单元截面积为设计变量,对典型的二维和三维设计问题进行散热通道分布设计,并将设计结果与COMSOL软件优化结果进行对比。研究结果表明,提出的传热结构自适应拓扑优化方法产生的散热通道形态简单清晰,能满足散热性能,且优化过程收敛速度快,克服了现有优化方法产生的数值不稳定问题。