面向制造的连续体结构拓扑优化设计方法研究
基于变密度法的连续体结构拓扑优化研究
基于变密度法的连续体结构拓扑优化研究引言：连续体结构是指由连续材料组成的结构，如桥梁、建筑物和飞机机翼等。
对于设计者来说，如何优化这些结构的拓扑是一个重要且复杂的问题。
结构拓扑优化可以帮助设计者找到一个在给定的约束条件下最优的结构形状。
在过去的几十年里，许多方法已经被提出来解决这个问题，其中变密度法是一种被广泛应用于连续体结构优化的方法。
1.变密度法的原理变密度法是一种基于材料密度的优化方法，它通过改变结构中不同区域的密度来调整结构的拓扑。
其基本思想是先将结构划分为许多小的单元，然后对每个单元中的材料密度进行调整，最终得到最优的材料密度分布。
2.变密度法的步骤（1）定义设计域：将结构划分为多个单元，并给每个单元中的材料密度分配一个初始值。
（2）定义目标函数和约束条件：目标函数是设计者所期望的结构性能，如最小重量或最大刚度。
约束条件可以包括应力约束和位移约束等。
（3）改变材料密度：通过增加或减小材料密度来调整结构的拓扑，使得目标函数在约束条件下达到最优。
（4）更新设计：根据目标函数和约束条件的要求，更新每个单元中的材料密度。
（5）重复迭代：不断重复步骤3和步骤4，直到满足预设的终止条件。
3.变密度法的优点（1）灵活性：变密度法可以产生各种不同的材料布局，适用于不同的结构类型和工程问题。
（2）低计算成本：相对于其他优化方法，变密度法的计算成本较低，可以在较短的时间内得到较好的结果。
（3）自适应性：变密度法能够根据目标函数和约束条件的变化自动调整材料密度，实时更新结构拓扑。
（4）材料节约：通过优化结构拓扑，变密度法能够使结构重量降低，从而节约材料成本。
4.变密度法的应用领域变密度法可以应用于多个领域，包括航空航天、建筑工程和交通运输等。
例如，在航空航天领域，变密度法可以用于优化航空器的机翼结构，提高飞行性能和燃油效率。
在建筑工程领域，变密度法可以用于设计高效且节约材料的建筑结构。
在交通运输领域，变密度法可以用于优化汽车车身结构，提高安全性和燃油经济性。
连续体结构的静动态多目标拓扑优化方法研究
连续体结构的静动态多目标拓扑优化方法研究RES EARCH ON STATIC AND DYNAMIC MULTI OBJECTIVE TOPO LOGY OPTIMIZATION OF CONTINUUM STRUCTURES占金青 张宪民(华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640)ZH AN JinQing ZH ANG XianMin(School o f Mechanical and Automotive Engineering,South China U niversity o f Technology,Guangzhou510640,China)摘要 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。
拓扑优化采用固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。
关键词 连续体结构 多目标优化 移动近似算法 拓扑优化中图分类号 TB114.3Abstract A multi objective topology opti mization method for continuum structures is proposed,in which both the mean compliance and mean ei genvalue are regarded as static and dynamic opti mization objectives,respectively.The wei ghted sum of conflicting objectives resulting from the norm method is used to generate the opti mal compromise solutions,and the decision function is set to select the pref erred solution.T he objective function is normalized to eli minate magnitude di fference of the objectives.The solid isotropic material with penalization approach is used.The mul ti objective topology optimization problem is solved using the method of moving asymp totes.A fil tering technique is used to avoid the phenomenon of numerical instability.Sevral numerical examples are presented to show the feasibility of the present approach.Key words C ontinuum structures;Multi objective optimization;Method of moving asymptotes;Topology optimization Correspon ding author:Z HAN JinQin g,E mail:z han j inqing@,Tel: Fax:+86 20 87110345The project supported by the National Science Found of Distinguished Young Scholars of China(No.50825504),and the United Found of National Natural Science Foundation of China and Guangdong Province(No.U0934004).Manuscript received20090316,in revi sed form20090629.引言连续体结构的拓扑优化设计研究是结构优化中的难点和热点,被公认为当前结构优化设计领域内最具有挑战性的研究方向[1]。
机械设计中的结构拓扑优化研究
机械设计中的结构拓扑优化研究随着科技的发展和制造技术的不断进步，机械设计领域对于结构的要求也越来越高。
为了提高机械结构的性能和强度，结构优化成为了一个研究的热点。
在结构优化中，结构拓扑优化是一个重要的研究方向。
本文将从机械设计中的结构拓扑优化入手，介绍其背景和目的，并探讨该领域的研究现状和未来发展方向。
一、背景和目的结构拓扑优化是一种通过重新分配材料和空间来改善结构性能的方法。
在机械设计中，结构的优化可以帮助设计师提高产品的性能、减少材料消耗和成本，并且可以降低产品的重量。
传统的结构设计方法通常由设计师凭经验和感觉完成，这种方法存在很多主观因素，很难保证设计方案的最佳性。
因此，研究者开始探索使用优化算法和计算机模拟来辅助结构设计。
结构拓扑优化是其中一种重要的方法。
通过结构拓扑优化，设计者可以优化结构的拓扑形状，从而最大限度地减少结构的重量和材料消耗，同时确保结构的强度和刚度。
在固定工作载荷下，旨在找到满足设计要求的最佳结构形状，是结构拓扑优化的目标。
二、研究现状目前，结构拓扑优化已经成为机械设计领域的一个研究热点。
研究者们通过数值模拟和优化算法，探索不同的拓扑形状，寻找最优解。
常见的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
这些算法可以通过迭代优化来得到最优解，但是也面临着计算时间长、计算复杂度高等问题。
同时，研究者们也在不同领域开展了很多案例研究。
例如，有人研究了航空航天领域的机翼结构优化，通过改变翼梁的拓扑形状和布局，减少了结构的重量，并提高了结构的强度和稳定性。
还有人在汽车工业领域进行了车身结构的优化，通过重新设计车身的拓扑形状，实现了轻量化和节能减排的目标。
然而，结构拓扑优化的研究还面临一些挑战。
首先，计算方法和算法需要进一步改进，以提高计算效率和精确度。
其次，结构的优化目标需要根据不同的应用领域和要求进行调整，如考虑多种性能指标的多目标优化问题。
最后，实际制造和成本因素也需要考虑，以确保优化设计的可行性和经济性。
智能制造系统的拓扑结构及其优化研究
智能制造系统的拓扑结构及其优化研究一、引言智能制造是制造业转型升级的必由之路，而智能制造系统的拓扑结构及其优化研究是智能制造的重要组成部分。
本文将深入探讨智能制造系统的拓扑结构及其优化研究，为智能制造的发展提供参考。
二、智能制造系统的拓扑结构智能制造系统是由多个子系统构成的，这些子系统之间相互协作，共同完成整个制造过程。
智能制造系统的拓扑结构是指各子系统之间的连接方式和层次结构。
智能制造系统的拓扑结构包括以下几个方面：1.层次结构智能制造系统的层次结构是根据系统中各组成部分的功能和作用划分的，从上到下分为三个层次：生产控制层、生产执行层和生产操作层。
生产控制层是整个智能制造系统的高级管理层，它负责制定生产计划和调度、物流管理，以及对其它层次的控制和管理。
生产执行层主要负责生产过程的实际执行和控制，包括控制设备的运行、监测生产过程的状态以及对生产过程异常情况的处理。
生产操作层是直接执行生产任务的层次，包括设备操作、质量检测、成品包装等。
2.网络结构智能制造系统的网络结构是各子系统之间相互连接的方式。
智能制造系统的网络结构分为三种：单向连接、双向连接和无连接。
单向连接的网络结构主要用于数据传递的安全需求较高的场合，如物流管理等。
双向连接的网络结构主要用于数据共享和交流较为频繁的场合，如生产下达等。
无连接的网络结构主要用于各设备之间互相独立，不相互干涉的场合，如质量检测等。
3.拓扑结构智能制造系统的拓扑结构是各子系统之间的物理连接方式，拓扑结构的选择直接影响到系统性能和整体效率。
目前常用的智能制造系统拓扑结构有总线型、星型、环型、树型和网状型等。
总线型拓扑结构是所有设备都连在一个总线上，信息只有在总线上传递才能被其它设备读取，不适用于大规模的智能制造系统。
星型拓扑结构是所有设备都与中心节点相连，信息传递方便快捷，但会导致中心节点成为制约整个系统的瓶颈。
环型拓扑结构是所有设备都连成一个环形，信息传递沿着环形路径进行，在数据冲突等问题上存在一定的局限性。
连续体结构拓扑优化方法评述
①
②
式中 :ai 为微结构 中正方形 孔的边长(如图 1 所 示);C 为结构柔度 ;V 为结构实际体积 ;V max 为给 定的结构最大体积 。
Bendsoe 还对比分析了的四种微结构形式 , 结 果发现 :增加变量可以提高计算精度 , 但不能明显 减小优化结果的柔度 ;增加孔的旋转角度变量可以 在一定程度上减小中间值的存在 。因此 , 为了保证 计算精度往往最多为每个单元设置三个变量 。 由 于 Bendsoe 使用了数学规划法求解 , 变量增多会造 成求解更加复杂费时 。
均匀化方法提出之后 , 连续体拓扑优化得到了 迅速发展 。该方法理论严谨 、直观 , 在早期连续体 拓扑优化中起到了重要作用 。近年来 , 国内外学者 主要将其用于柔性机构拓扑优化设计[ 20-26] 和复合 材料拓扑优化设计[ 27-29] 中 。
1 .2 变厚度法
③
④
图 1 四种微结构形式
夏天翔 , 姚卫星
(南京航空 航天大学 飞行器先进设计技术国防重点学科实验室 , 南京 210016)
摘 要 :连续体结构拓扑优化在优化 中能产生新的构型 , 对实现自动化 智能结构设 计具有重要 意义 。 目前 , 连 续体结构拓扑优化方法主要有 :均匀化方法 、变厚度法 、变密度法 、渐进结构优化方法 、水平集法 、独立连 续映射 方法 。 本文首先系统回顾了以上方法的发展历程 , 介绍了它们的研究现状 。 其次 , 通过对比以 上拓扑优 化方法 对若干典型算例的优化结果 , 表明以上方法都有较好的减重 效果 。 最后 , 对以 上方法 进行了 总结 , 列出了 它们 的优缺点和发展方向 。 关键词 :拓扑优化 ;均匀化方法 ;变厚 度法 ;变密度法 ;渐进结构优化方法 ;水平集法 ;独立连续映射方法 中图分类号 :V 211 .7 文献标识码 :A
连续体结构的拓扑优化设计
连续体结构的拓扑优化设计一、本文概述Overview of this article随着科技的不断进步和工程需求的日益增长，连续体结构的拓扑优化设计已成为现代工程领域的研究热点。
拓扑优化旨在通过改变结构的内部布局和连接方式，实现结构性能的最优化，从而提高工程结构的承载能力和效率。
本文将对连续体结构的拓扑优化设计进行深入研究，探讨其基本原理、方法、应用以及未来的发展趋势。
With the continuous progress of technology and the increasing demand for engineering, the topology optimization design of continuum structures has become a research hotspot in the field of modern engineering. Topology optimization aims to optimize the structural performance by changing the internal layout and connection methods of the structure, thereby improving the load-bearing capacity and efficiency of engineering structures. This article will conduct in-depth research on the topology optimization design of continuum structures, exploring their basic principles, methods,applications, and future development trends.本文将介绍连续体结构拓扑优化的基本概念和原理，包括拓扑优化的定义、目标函数和约束条件等。
位移约束下的多材料连续体结构拓扑优化研究
摘要摘要结构拓扑优化(Topology Optimization)是根据设计域内的负载情况、约束条件和性能指标来优化材料分布，寻求结构的最佳传力路径。
由于其可以在满足结构性能的前提下，有效降低材料用量，并且其新颖的拓扑构形可以为工程创新设计提供方案，因此受到了众多学者和工程设计人员的青睐。
另外，随着科学技术和优化理论在实际工程结构设计中的不断发展，单一材料的结构拓扑优化已经不能满足结构设计领域多样性和多元化所提出的高精尖要求。
目前，多材料连续体结构拓扑优化是结构概念性设计领域具有挑战性的前沿课题之一，同时对于解决实际工程应用问题具有重要的理论意义。
本文基于隋允康教授于1996年提出的独立、连续、映射(Independent Continuous Mapping，ICM)方法，建立了在满足结构位移约束的条件下，以结构重量最轻为目标函数的连续体结构拓扑优化模型；讨论了过滤函数与约束条件对拓扑优化结果的影响；研究了不同位移约束及不同弹性模量比下，两材料及多材料连续体结构的拓扑优化。
利用M语言，在MA TLAB软件平台中开发了相应的连续体结构拓扑优化计算程序。
从以下几个主要方面进行了研究：（1）基于独立、连续、映射(ICM)方法，在连续体结构拓扑优化问题中采用结构位移作为约束条件，建立了在满足结构位移约束的条件下，以结构重量最轻为目标函数的连续体结构拓扑优化模型，讨论了过滤函数与约束条件对最优拓扑结构的影响。
（2）运用两材料连续体结构的材料插值函数，建立了位移约束下以结构重量最轻为目标函数的两材料连续体结构拓扑优化模型。
采用一阶泰勒展式和二阶泰勒近似分别对约束函数和目标函数进行了显式化，利用数学规划理论的二次规划方法对拓扑优化模型进行了求解。
针对典型平面连续体结构进行了数值验证与比较分析，讨论了给定约束条件和材料弹性模量对于两材料连续体结构优化结果的影响。
（3）提出了多材料连续体结构的材料插值函数，以三材料结构为例建立了多材料连续体结构拓扑优化模型并进行了优化求解。
连续体结构拓扑优化理论与应用研究
连续体结构拓扑优化理论与应用研究前言近年来，随着三维打印、计算机辅助设计等技术的发展，连续体结构拓扑优化逐渐被广泛应用于工程设计中。
连续体结构拓扑优化指的是基于一定的约束条件下，通过优化连续体结构的材料分布和形状来实现结构尽可能轻量化、刚度尽可能大的目的。
本文将从理论、方法和应用三个方面，对连续体结构拓扑优化进行全面阐述。
第一章连续体结构拓扑优化理论1.1 拓扑优化的概念拓扑优化是指利用数学方法优化结构的材料分布和形状以达到某种性能目标的一种方法。
与传统的结构优化相比，拓扑优化不仅考虑结构的大小和形状，还考虑结构的材料分布。
这就要求将结构的材料分布看作设计变量，并且采用合适的材料性质描述模型来描述材料在不同条件下的特性。
1.2 拓扑优化的方法拓扑优化的方法主要可分为两类：自适应法和演化法。
自适应法主要是一种灵活的算法，通过规定合适的自适应方法进行优化；演化法则主要依靠基因或者其它进化原理来进行结构的筛选。
1.3 拓扑优化的应用拓扑优化的应用非常广泛，例如在航空航天、汽车制造、建筑设计等领域都有广泛的应用。
在航空航天领域，拓扑优化可以减轻飞机自重，提高飞机的飞行性能和使用寿命。
在汽车制造领域，拓扑优化可以降低车辆的重量，提高车辆的燃油效率和安全性能。
在建筑设计领域，拓扑优化可以使建筑结构尽可能的轻量化，增加建筑设计的美感和实用性。
第二章连续体结构拓扑优化方法2.1 拓扑敏感度分析法拓扑敏感度分析法是一种基于有限元方法的拓扑优化方法。
该方法通过对应力场的敏感度进行迭代求解，实现了结构的材料优化分布和形状。
该方法的优点是计算速度快、收敛速度快，但其缺点是对初始设计要求较高。
2.2 拓扑优化基尔霍夫法拓扑优化基尔霍夫法也是一种基于有限元方法的拓扑优化方法。
该方法将结构划分为若干个有限元单元，在设计变量的控制下分别分配材料，使得结构满足一定的约束条件。
该方法的优点是便于求解、可以同时考虑结构的刚度和稳定性等多个目标。
连续体结构拓扑优化方法评述_夏天翔
第2卷第1期2011年2月航空工程进展A DV A N CES IN A ERON A U T ICA L SCIEN CE A N D EN GIN EERIN G Vo l 12N o 11Feb 1 2011收稿日期:2010-12-01; 修回日期:2011-01-20基金项目:教育部长江学者创新团队项目(Irt0906)通信作者:姚卫星,w xyao@文章编号:1674-8190(2011)01-001-12连续体结构拓扑优化方法评述夏天翔,姚卫星(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京 210016)摘 要:连续体结构拓扑优化在优化中能产生新的构型,对实现自动化智能结构设计具有重要意义。
目前,连续体结构拓扑优化方法主要有:均匀化方法、变厚度法、变密度法、渐进结构优化方法、水平集法、独立连续映射方法。
本文首先系统回顾了以上方法的发展历程,介绍了它们的研究现状。
其次,通过对比以上拓扑优化方法对若干典型算例的优化结果,表明以上方法都有较好的减重效果。
最后,对以上方法进行了总结,列出了它们的优缺点和发展方向。
关键词:拓扑优化;均匀化方法;变厚度法;变密度法;渐进结构优化方法;水平集法;独立连续映射方法中图分类号:V 211.7 文献标识码:AA Survey of Topology Optimization of Continuum Stru ctureXia Tianx iang ,Yao Weix ing(K ey L abor ator y of F undamental Science fo r N atio nal Defense -adv anced Design T echno lo gy of F lig htV ehicle,Nanjing U niver sity o f A eronautics and A st ronautics,N anjing 210016,China)Abstract:A s the to po log y optim izat ion o f continuum structure can pr oduce new config ur atio ns during the optim-i zatio n,it is significant for automatic str ucture design.A t present,the most commo nly used t opolo gy o ptimiza -t ion methods of continuum st ructur e ar e:the ho mog enization method,var iable t hickness method,v ariable dens-i t y metho d,evo lutio nar y str uctur al o pt imizatio n met ho d,lev el set metho d,independent co ntinuous mapping method.Firstly,the develo pment pro cesses of above metho ds ar e sy stematically review ed,their cur rent r e -sear ch is br iefly intro duced in this paper.T hen,these methods ar e com par ed and discussed t hr ough a number of typical ex amples.T he typical ex amples show that all of above methods have gr eat abilities to r educe w eig ht.F-i nally ,the adv ant ag es,disadv ant ag es and dev elo pment directio ns of abov e metho ds ar e discussed.Key words:to po lo gy o ptimization;homog enizat ion metho d;va riable thickness method;var iable density method;evolutionar y structure optimization metho d;lev el set method;independent continuo us mapping method0 引言按照设计变量的不同,结构优化可分为以下三个层次:尺寸优化、形状优化和拓扑优化。
连续体结构的柔顺机构拓扑优化设计
连续体结构的柔顺机构拓扑优化设计连续体结构柔顺机构拓扑优化设计柔顺机构是一种可通过可变剛度控制柔顺性的机构，该机构被广泛应用于工业机器人、机械手、太空采矿和医疗机器人等领域。
柔顺机构的设计需要考虑安全性、可靠性、结构刚度、振动空间等等因素，因此，通过拓扑优化设计实现柔顺机构的设计是一个重要的工作。
拓扑优化是一种基于结构形状的结构优化方法，该方法基于最小化满足全部约束条件所需要的材料量，以得到最优的结构拓扑形态。
该方法常常通过在初始结构中删除材料来实现，缩小设计空间，自动生成优化结果，以避免迭代设计的复杂性。
因此，在柔顺机构的设计中，拓扑优化可帮助设计者减少原型制造成本，提高产品质量和竞争力。
在柔顺机构的拓扑优化设计中，设计者要考虑多种因素，例如结构的强度、质量和振动空间等等，以便得到最佳的性能和风格。
柔顺机构的设计需要考虑其工作原理和目的。
例如，机器人的柔顺机构需要考虑其截面形状、曲率半径和数量等因素，以便满足机器人的工作需求。
另外，柔顺机构的材料选择也十分重要，因为它会影响到结构的荷载能力和真空性能等技术参数。
在柔顺机构的拓扑优化设计中，最常见的方法是考虑结构的质量、相对刚度和形状可控性等因素。
初始结构可以通过几何形状的基本元素进行设计。
之后，设计者可以将偏差最小的优化算法用于优化，以便得到最佳拓扑形态。
值得注意的是，在设计柔顺机构时，柔性杆件是优于钢制杆件的，因为柔性杆件可以减少结构质量、噪声和振动等。
在柔顺机构的拓扑优化设计中，需要考虑的关键因素是结构刚度和几何形状。
结构刚度是指柔顺机构在加载过程中的变化情况。
例如，在机器人设计中，柔顺构接收控制信号后，会发生变形，柔顺程度越高，变形范围越大。
由此可以看出，材料的选择对柔顺机构的设计至关重要。
几何形状也是一个重要的因素，因为它可以影响机器人的机动能力和维护成本。
如果设计的柔顺机构不合适，会导致成本的浪费。
总之，柔顺机构的拓扑优化设计是一个复杂的过程。
连续体结构的拓扑优化设计
连续体结构的拓扑优化设计罗震;陈立平;黄玉盈;张云清【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2004(34)4【摘要】对基于有限元数值求解技术的连续体结构的拓扑优化设计技术进行了综述.利用密度-刚度插值格式和优化准则方法,以结构的柔度最小化作为优化的目标函数,论述并建立线弹性结构的静力学拓扑优化设计的数学模型和设计变量显示的迭代格式;基于数学规划方法中的一种凸规划方法--移动渐近线方法和密度方法,以结构的频率最大化作为优化的目标函数,论述并建立了特征值问题拓扑优化设计的数学模型和设计变量隐式的更新方法.对多目标拓扑优化问题、柔性机构的拓扑优化问题以及多物理场拓扑优化设计问题进行了讨论.对优化结构中出现的棋盘格式和网格依赖性等数值计算问题进行剖析和讨论,介绍和分析了目前解决数值计算问题常见的方法,在此基础上对边界扩散现象进行了讨论.给出了连续体结构拓扑优化设计的程序流程,并用Matlab程序实现了算法,通过几个典型的算例证明所综述方法的有效性.【总页数】14页(P463-476)【作者】罗震;陈立平;黄玉盈;张云清【作者单位】华中科技大学国家CAD工程技术研究中心,武汉,430074;华中科技大学国家CAD工程技术研究中心,武汉,430074;华中科技大学土木工程与力学学院,武汉,430074;华中科技大学国家CAD工程技术研究中心,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】O327【相关文献】1.考虑热振特性的连续体结构拓扑优化设计 [J], 刘远东;莫军;尹益辉;徐兵2.基于K邻近算法的连续体结构拓扑优化设计 [J], 李景奎;张义民3.连续体结构的多目标拓扑优化设计 [J], 刘远东;尹益辉;郭中泽4.多相材料的连续体结构拓扑优化设计 [J], 占金青;卢清华;张宪民5.基于节点变量法的连续体结构拓扑优化设计 [J], 占金青;杨康;黄志超因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
二维连续体的拓扑优化设计研究
第18卷 第1期1998年2月北京理工大学学报Jou rnal of Beijing In stitu te of T echno logy V o l 118 N o 11Feb 11998收稿日期:1997203203二维连续体的拓扑优化设计研究左正兴 邹文胜 廖日东(北京理工大学车辆工程学院,北京 100081)摘 要 目的 为二维连续体的拓扑优化提供一种基于材料弹性模量的解析敏度求解方法1利用该方法开发一套二维连续体的拓扑优化设计程序1方法 用以可变弹性模量作为设计变量的新方法对连续体进行拓扑优化设计,使拓扑优化在各向同性连续材料的前提下,用解析法求解敏度。
结果 用研制出的二维连续体优化设计程序TOO P 2D 对一受载平面板进行拓扑形状优化,达到在最大应力基本不变的条件下减轻结构重量的优化目标1结论 算例检验证明,该方法可以对二维连续体进行结构形式和几何形状综合性的结构优化设计1关键词 拓扑;灵敏度;形状优化分类号 O 189;T P 302171 优化数学模型优化模型的建立实际上就是选定设计变量、目标函数和约束函数的过程1目前拓扑优化尚没有成熟的数学方法可以依赖[1,2],本文在连续体拓扑优化中提出以可变的弹性模量作为设计变量,优化敏度分析过程用解析方法实现,因此敏度分析和优化迭代比较合理[3]1111 设计变量由力学理论可知,受力结构的状态与连续体的弹性模量E 有关,当连续体整个模型为单一均匀材料时,应力与弹性模量大小无关,而结构的变形与弹性模量成正比1当模型中各部分材料不同,弹性模量取值也不同时,各部分的应力和变形均随弹性模量取值不同而变化1因此,可以通过改变有限元模型中每个单元的弹性模量来调整各部位的应力与变形1本文在二维拓扑优化中,取单元中一种假设可变的弹性模量为设计变量,设计变量取值上限是实际材料的弹性模量,下限为零1考虑结构中可变弹性模量很小时,该部位刚度贡献很小,即起不到承载的作用,可视为该部位材料不存在,在拓扑优化过程中,通过迭代计算出可变弹性模量最小或趋于零的部分,并在下一轮迭代中将这些部分从结构中除去1选定每个单元的可变弹性模量E 为设计变量,得到如下的优化数学模型:求E =[E 1,E 2,…,E N ]Tm in F(E)s1t1h i(E)=0 (i=1,2,…,m) h j(E)≥0 (j=m+1,m+2,…,p)(1)式中 N为可变弹性模量的单元总数;F为目标函数;h为约束函数;m为等式约束数;p为总约束数1112 目标函数为了使连续体弹性模量的改变综合反映结构受力情况,选取弹性体受力变形的总势能为目标函数,总势能极小化从物理意义上使结构发挥最大的承载潜力1总势能为F(E)=(-1 2)∫8E ijk lΕk l(z)Εij(z)d8(2)式中 E ijk l为弹性模量;Εkl和Εij为应变函数;z为弹性体内每点产生的位移1113 约束函数优化设计的约束条件应考虑满足许用最大应力条件和允许最大位移条件1此外,可变弹性模量不能取负值且不大于实际材料的弹性模量1约束函数可表示为Ρi(E)≤Ρ0, u j(E)≤u0j, 0≤E k≤E0(3)式中 Ρi为i节点的实际应力;Ρ0为许用应力;u j为j节点允许位移;u0j为节点允许位移;E0为实际材料的弹性模量;E k为假设可变的弹性模量12 敏度分析用数值计算方式(如有限元法)表达结构状态方程和优化模型,目标函数F(E)可写成如下形式: F=(-1 2)u T Ku(4)式中 K为刚度矩阵;u为节点位移矢量1位移和刚度满足平衡方程 Ku=R(5)其中 R为节点载荷向量,R的值与E无关1为了求位移、应力和目标函数的敏度,先推导刚度阵、应力阵的导数1在有限元法中,二维等参元刚度表达式为 K e=∫1-1∫1-1B T e D e B e J dΦdΓ(6)式中 B e为单元应变矩阵;D e为单元弹性阵1对式(6)求导可得 5K e5E i=∫1-1∫1-1B T e5D e5E i B e J dΦdΓ(7) 由于单元应力阵的表达式为 S e=D e B e(8)式中 S e为单元应力矩阵1对上式求导得21北 京 理 工 大 学 学 报第18卷5S e E i =5D e E iB e (9)而单元弹性阵形式为 D e =E i1-Λ21Λ0Λ1000(1-Λ) 2(10) 5D e 5E i =11-Λ21Λ0Λ1000(1-Λ) 2(11)求出单元刚度矩阵和单元应力矩阵的导数后,则可计算出位数、应力和目标函数的敏度1211 位移敏度由式(5)得K 5u 5E i +5K 5E i u =5R 5E =0]K 5u 5E i =-5K 5E i u (12)212 应力敏度由于Ρe =S e u e ,所以单元应力的敏度为5Ρe 5E i =5S e 5E i u e +S e 5u e 5E i (13)213 目标函数敏度由式(4)可得目标函数的敏度分析式5F 5E i =-12u T 5K 5E i u -u T K 5u 5E i (14)将式(7)(9)分别代入式(12)～(14)依次可求得位称移、应力和目标函数的敏度13 程序实现在拓扑化模型中,设计变量为假想可变的弹性模量,在指定可变区域内每个单元具有一个设计变量E i 1所谓可变区域是指在优化设计时允许发生拓扑变化的部分,该部分的单元根据承载有效程度可在优化方案中保留或去掉,可变区域可以根据实际需要由人工指定,选定的区域不同将得到不同的优化结果1拓扑优化是根据受力情况,合理地取舍实际结构中的单元,产生边界缺口的内部孔洞以在满足强度及其它条件的情况下使结构重量减轻,应力分布更为均匀1本文采用可变弹性模量作为设计变量,在优化迭代后只是将实际结构中冗余部位的弹性模量变得很小,但没有从拓扑上消除这些单元。
连续体结构拓扑优化探讨与应用
的类 型优化 ， 综 合 了前 面几种 优化 ， 是 较 高层 次 的 优化 ． 结 构拓 扑 优 化 可用 于 高层 次 的工 程 师 进 行
料 弹性 模量 之 间的某 种对 应关 系 ， 计 算效 率 高 ．
米 收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ － １ ２ － ０ ８
基 金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目（ １ １ ２ ７ ２ ０ ７ ０ ） ； 国家科 技支撑 计划资助 项 目（ ２ ０ ０ ９ Ｂ Ａ Ｇ ２ Ａ ０ ４ ０４ － ） ； 国际科技 合作 资助项 目（ ２ ０ １ ０ Ｄ Ｆ Ｂ ８ ０ ０ ５ ０ ） ； 铁道部科技计划 资助项 目（ ２ ０ １ １ Ｊ ０ １ ３ 一 Ｅ ） 作者简介 ： 黄 振晖（ １ ９ ６ ５一） ， 男， 高级工 程师 ， 博士 ， 主要从事铁路车辆 的研究
连 续 体 结构 拓 扑 优 化 探 讨 与 应 用
黄 振 晖 ， 马 纪 军 ， 杨 玉森 ， 曾繁 波 ， 陈秉 智
（ １ ． 中国北 车集 团 唐 山轨道客 车有 限责任公 司， 河北 唐 山 ０ ６ ３ ０ ３ ５ ； ２ ． 大连 交通 大学 交通运 输工程 学
院， 辽 宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ８ ） 米
文献标识码 ： Ａ
０ 引 言
结 构是 人类 文 明进 步 的一 个 标 志 ， 随着 社 会 的进 步 人们对 解 雇 的合理 性 提 出了越 来越 高 的要 求， 对 结 构 进 行 优 化 设 计 的 重 要 性 日益 凸显 ｌ １ １ ． 结构 优化 是 以结 构 分 析 为 基 础 ， 利 用 某 一 准 则 或 优化 方法 ， 对结 构 的形 状 、 几何 尺寸 和材 料 布局 进
变厚 度法 ．
基于密度法的连续体拓扑优化设计研究
基于密度法的连续体拓扑优化设计研究基于密度法的连续体拓扑优化设计研究摘要：连续体拓扑优化设计是一种基于密度法的优化方法，通过改变材料分布来实现结构体积的最优配置，以提高结构的性能和效率。
本文以连续体拓扑优化设计为研究对象，综述了其基本原理和方法，并探讨了其在工程实践中的应用前景。
1.引言连续体拓扑优化设计是一种基于密度法的优化技术，通过对结构内部材料密度的分布进行优化，实现结构物的最优配置，以提高结构体积的效率。
该方法在工程领域具有广泛的应用前景，可以应用于航空、汽车、船舶等领域的结构设计和优化。
2.基本原理连续体拓扑优化设计的基本原理是基于拉格朗日乘子法和有限元离散的数学模型。
通过引入一个密度变量来表示每个单元的材料状态，根据基于材料密度和拓扑结构的约束条件，建立目标函数和约束条件，并利用优化算法来求解最优解。
3.方法与步骤连续体拓扑优化设计的方法与步骤包括：(1) 建立有限元模型：将结构物分割为有限个单元，建立有限元模型，指定加载条件和约束条件。
(2) 引入密度变量：将每个单元的材料状态表示为一个密度变量，取值范围为0到1，0表示材料为空，1表示材料满。
(3) 建立目标函数和约束条件：以最小化结构的体积为目标函数，同时满足结构的强度和刚度约束条件。
(4) 进行优化求解：利用优化算法，如遗传算法、蚁群算法等，对目标函数和约束条件进行优化求解。
(5) 结果分析与优化：分析优化结果，对结构进行进一步优化设计，获得理想的结构形态和材料布局。
4.应用前景连续体拓扑优化设计在工程实践中具有广泛的应用前景。
一方面，它可以应用于航空、汽车、船舶等领域，提高结构的强度和刚度，在满足约束条件的前提下降低结构的重量和体积。
另一方面，它还可以应用于新材料的研发和设计中，根据不同材料的特性进行优化设计，提高材料的性能和效率。
5.挑战与展望在连续体拓扑优化设计的研究和应用中，仍存在一些挑战与问题。
一方面，连续体拓扑优化设计需要大量的计算资源和时间，对计算能力和算法效率提出了要求。
基于节点密度的连续体结构拓扑优化+方法研究及其应用
TH122 621
密级
公开
硕
士
学
位
论
文
基于节点密度的连续体结构拓扑优化 方法研究及其应用
学 位 申 请 人： 学 指 科 导 专 教 业： 师：
严双桥 机械制造及其自动化 杜义贤 副教授
二○一五年六月
万rtial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Engineering
Mechanical Manufacture and Automation Associate Prof. Du Yixian
China Three Gorges University Yichang, 443002, P.R.China June, 2015
万方数据
三峡大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明 确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
学位论文作者签名：_______________ 日 期：_______________
I
万方数据
内 容 摘 要
全文以基于节点密度的连续体拓扑优化作为研究对象， 主要讨论拓扑优化中具有 高阶连续性的密度场的构造方法及中间密度节点的抑制方法， 并将该方法应用于微结 构优化中。 首先，针对连续体拓扑优化中存在的棋盘格和网格依赖性问题，采用双线性插值 函数，建立了基于节点密度的拓扑优化密度插值模型，构造了光滑的密度场，从而使 设计区域的密度场函数具有C0连续性，在数学本质上抑制了棋盘格现象；然后提出了 一种改进的敏度更新技术，通过建立过滤半径与网格密度之间的关系，使过滤半径随 着网格密度的增加而保持不变， 将改进的敏度过滤法应用于基于节点密度法的拓扑优 化中，消除了网格依赖性现象。 然后，针对SIMP模型中删除大量的相对密度比较大的节点这种不合理的惩罚方 式，提出一种新的密度惩罚方法，在优化迭代求解过程中，该方法能将相对密度小于 某一给定值的节点密度向0方向惩罚，而大于该给定值的节点密度向1方向惩罚，避免 了删除大量中间密度节点，减少了中间密度节点数量，通过数值算例表明：该方法可 以得到边界更加清晰的拓扑优化结果。 最后，采用均匀化方法，对微结构宏观等效弹性性能进行了推导，编写了宏观等 效弹性性能计算程序，通过算例验证了其正确性；针对在微结构优化中也会存在棋盘 格式和灰度单元等数值不稳定现象，将本文提出的方法应用到材料微结构拓扑优化 中， 数值算例表明采用本文的节点密度拓扑优化方法得到具有极端弹性性能的拓扑结 构，并且没有出现棋盘格式。 关键词：拓扑优化；节点密度；双线性插值；均匀化法；微结构优化
基于拓扑优化理论的结构优化设计方法研究
基于拓扑优化理论的结构优化设计方法研究引言：结构优化是一个追求材料和结构最优性能的优化过程。
基于拓扑优化理论的结构优化设计方法是近年来发展起来的一种优化方法。
该方法通过探索结构的拓扑形状，来找到最优的材料分布和连续形状，以提高结构的刚度和强度，并减少结构的重量。
本文将介绍基于拓扑优化理论的结构优化设计方法的研究现状、原理以及应用，并对其发展进行展望。
一、研究现状基于拓扑优化理论的结构优化设计方法在近几十年来得到了广泛的研究和应用。
该方法最早是应用在航空航天领域，用于优化飞机的结构形态。
随着计算机技术的进步，结构优化设计方法逐渐推广到其他领域，如汽车、建筑、机械等。
目前，该方法已经成为结构和材料科学领域中的一个重要的研究方向。
二、原理基于拓扑优化理论的结构优化设计方法的基本原理是通过改变材料的分布，来改变结构的刚度和强度。
该方法首先将结构的拓扑形状表示为一个拓扑优化问题，然后使用数学方法来求解这个问题，得到最优的结构形态。
在求解的过程中，可以根据设计要求和约束条件设置不同的目标函数和约束条件，以实现对结构性能的优化。
三、应用1.汽车结构优化设计：通过改变材料的分布和连续形状，来减少汽车的重量并提高其刚度和强度，从而提高汽车的燃油效率和安全性能。
2.建筑结构优化设计：通过优化结构的形态和材料分布，来提高建筑的稳定性和抗震性能，并减少结构的重量和材料消耗。
3.机械结构优化设计：通过优化机械结构的形态和材料分布，来提高机械的刚度和强度，并减少结构的重量和材料消耗。
四、发展展望基于拓扑优化理论的结构优化设计方法在未来有着广阔的应用前景。
随着计算机技术的不断进步，解决大规模结构优化问题的计算效率将得到显著提高。
同时，结合多学科的优化方法，将会进一步扩大结构优化设计方法的应用领域。
未来的研究方向还包括考虑非线性约束和多目标优化问题，以及结合先进的制造技术，实现结构优化设计与制造的无缝衔接。
结论：基于拓扑优化理论的结构优化设计方法是一种有效的结构设计方法。
结构拓扑优化研究方法综述
结构拓扑优化研究方法综述一、本文概述结构拓扑优化作为一种高效的结构设计方法，旨在寻找在给定的设计空间和约束条件下，具有最优性能的材料分布方式。
随着计算机技术和数值方法的快速发展，结构拓扑优化在航空航天、汽车、建筑等多个领域得到了广泛应用，成为提高结构性能、减轻结构重量、降低材料成本的重要手段。
本文旨在对结构拓扑优化的研究方法进行综述，以期为后续的研究提供参考和借鉴。
本文将首先介绍结构拓扑优化的基本概念和研究背景，阐述其在工程实践中的重要性。
随后，将综述结构拓扑优化的主要研究方法，包括变密度法、水平集法、移动可变形组件法等，并分析各方法的优缺点和适用范围。
还将讨论结构拓扑优化中的关键技术和挑战，如多尺度优化、多目标优化、稳健性优化等，并介绍相应的解决方法。
本文将总结结构拓扑优化研究的现状和发展趋势，展望未来的研究方向和应用前景。
通过本文的综述，期望能够为结构拓扑优化的研究和实践提供有益的参考和指导。
二、结构拓扑优化的发展历程结构拓扑优化作为结构优化领域的一个重要分支，其发展历程可追溯至上世纪60年代。
初期的拓扑优化主要基于数学规划和几何规划的方法，通过改变结构的连接方式和分布来寻求最优的结构设计。
然而，由于计算能力和算法的限制，这些方法在实际应用中遇到了诸多困难。
随着计算机技术的飞速发展，特别是有限元方法和优化算法的进步，结构拓扑优化在80年代末期至90年代初期迎来了突破性的发展。
研究者开始利用计算机强大的计算能力，结合数值分析和优化算法，对结构拓扑进行优化设计。
这一时期，涌现出了多种基于数学规划的拓扑优化方法，如均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法等。
这些方法在航空航天、汽车、建筑等领域得到了广泛应用，有效提高了结构的设计水平和性能。
进入21世纪，结构拓扑优化研究进入了一个全新的阶段。
研究者开始关注更复杂、更实际的工程问题，如多材料结构拓扑优化、考虑制造约束的拓扑优化等。
随着高性能计算和大数据技术的发展，结构拓扑优化方法也在不断创新和完善。
连续体结构拓扑优化方法及应用
连续体结构拓扑优化方法及应用一、引言连续体结构是指由连续材料构成的结构，其特点是具有连续的物理和力学性质。
拓扑优化是一种通过改变结构的连通性来优化结构形状的方法。
在过去的几十年中，连续体结构拓扑优化方法得到了广泛的研究和应用。
本文将介绍连续体结构拓扑优化的基本原理和常用方法，并讨论其在工程设计、航空航天、汽车制造等领域的应用。
二、连续体结构拓扑优化的基本原理连续体结构拓扑优化的目标是通过改变结构的连通性，使结构在满足给定约束条件下具有最佳的性能。
其基本原理是将结构划分为离散的单元，通过增加或删除这些单元来改变结构的拓扑形状。
拓扑优化的目标函数通常包括结构的重量、刚度、自然频率等性能指标，约束条件则包括材料的强度、位移限制等。
三、常用的连续体结构拓扑优化方法1. 基于密度法的拓扑优化方法基于密度法的拓扑优化方法是最早提出的一种方法，其基本思想是将结构中的每个单元赋予一个密度值，通过改变密度值来控制单元的存在与否。
当密度值为0时，表示该单元不存在；当密度值为1时，表示该单元完全存在。
通过优化密度分布，可以得到最佳的结构拓扑形状。
2. 基于演化算法的拓扑优化方法基于演化算法的拓扑优化方法是一种启发式的搜索方法，常用的算法包括遗传算法、粒子群优化算法等。
这些算法通过模拟生物进化、群体行为等过程，逐步搜索最佳的结构拓扑形状。
相比于基于密度法的方法，基于演化算法的方法更适用于复杂的结构优化问题。
3. 基于灵敏度分析的拓扑优化方法基于灵敏度分析的拓扑优化方法是一种基于结构响应的方法。
通过计算结构的灵敏度矩阵，可以得到结构在不同单元上的响应变化情况。
进而可以根据灵敏度分析的结果，调整单元的密度分布，以实现结构形状的优化。
四、连续体结构拓扑优化的应用1. 工程设计连续体结构拓扑优化在工程设计中的应用非常广泛。
通过优化结构的拓扑形状，可以减少结构的重量，提高结构的刚度和强度。
这对于提高工程设备的性能和降低成本具有重要意义。
几种主要拓扑优化建模方法的分析对比及展望
《装备制造技术》2019年第02期1概述结构优化可分为尺寸优化（Size Optimization）、形状优化（Shape Optimization）和拓扑优化（TopologyOptimization）三个层次[1]。
其中，拓扑优化也称布局优化，是根据负载情况、约束条件（如应力、位移、频率和重量等）和性能指标（刚度、重量等），利用有限元分析和优化方法，使设计域达到最优材料布局的一种结构优化方法[2]。
工程中，结构优化设计的一般过程是按照从概念设计到详细设计的方式进行的，即通过分析约束条件，进行拓扑设计，确定出构件的大致形状，之后再根据具体的目标要求（如经济成本、空间布局、材料选取、工艺制造等要求）进行形状优化和尺寸优化等详细设计。
三者可以建立在同一产品从论证分析到设计定型的一整套系统中，也可以作为单独的优化设计方法应用在已成型的某件产品中，进行优化改进。
根据设计对象，拓扑优化可分为离散结构和连续体结构两种[3]。
由于连续体结构应用广泛，本文主要介绍几种常见的连续体结构拓扑优化方法。
2连续体的拓扑优化的方法结构的优化一般分为两个核心步骤，模型建立和数值求解。
目前，用于求解模型的各数值方法已趋于成熟，本文不做介绍。
2.1均匀化法1988年，Bendsoe和Kikuchi[4]针对连续体结构提出均匀化法，开创了连续体结构拓扑优化的新时代，其主要思想是在离散的设计域内用一种孔洞微结构代替原先的实体单元，并将描述孔洞的参数作为设计变量，以单元内孔洞大小描述材料有无，通过微结构的参数，来控制宏观结构在各个单元处的材料取舍，从而得到目标结构，实现优化[5]。
为了在设计变量与材料属性之间建立起可计算的数学关系，使结构的优化问题转化为基于设计变量取值的数学问题，人为构造一个材料与设计变量的关系式。
E（a e，b e，θe）=R T（θe）E（a e，b e）R（θe）（1）式中，a，b为微结构内矩形孔洞的尺寸参数，θ为描述孔洞位置的角度参数，R为关于角度变量的一个旋转矩阵，其具体推导过程读者可参考文献[6]。
【汽车节能技术】(三)结构拓扑优化技术
2.几何法(宏结构法)
ESO法符合工程直观性和直觉性，但是其缺点之一在于优化结 果受删除率和进化率两个参数的影响较大，同时优化效率较低， 常常得到局部最优解而非全局最优解，并且难以应用于复杂目 标函数和多约束情况下的拓扑优化问题。Querin等人提出的双 向进化结构优化方法(Bi-Directional Evolutionary Structural Opti mization，BESO)在结构优化中能同时增加或删除单元，从而提 高了优化效率。由于在ESO法中，单元状态非0即1，且敏度系 数定义为单元当前状态下的结构响应量值，故而当敏度系数值 在01间变化较大时，拓扑优化将得到错误的 密度法。密度法是受均匀化方法的启发而产生的。其基本思 想是不引入微孔结构，而是引入一种假想的相对密度在0～1之 间可变的材料，它吸取了均匀化方法中的经验和成果，直接假 定材料的物理参数(如许用应力、弹性模量)与其密度的非线性 关系。密度法以每个单元的相对密度作为设计变量，同时引入 密度与材料弹性模量的假设函数关系，故而求解效率高且实现 简单。
的优化结果。
② 泡泡法。在1994年，Eschenauer等人提出结构拓扑优化的泡 泡法，其目的是为了解决形状优化方法不能改变结构拓扑的问 题。泡泡法的基本思想是在当前结构中反复插入新孔(称为泡泡 )而实现结构拓扑的变更，达到优化设计的目的。泡泡法的具体
实施过程如下：
(一)成形制造技术 (二)连接技术
① 减少零件数量。由于拼焊板可以一体成形，提高了车身覆盖 件的精度，减少了大量冲压加工的设备和工序。一辆汽车的车 身由300多种零件组成，采用激光拼焊板技术可使零件数量减
少66%，因此大大减少了模具数量，提高了材料的利用率。
② 减轻结构件的重量。由于采用将不同厚度的板料焊在一起， 然后一次冲压成形，而不再需要焊接加强板，因此可以降低钢
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[10]陈平.超声振动车削SiCp/A l材料的切屑形态特征[J].现代制造工程,2006(1):84O85.[11]Jo shi S S,R amakr ishnan N,Ramakrishnan P.Analysis of Chip Breaking during O rthog onal M a-chining o f A l/SiCp Composit es[J].Jour nal o f M a-ter ials M achining T echno log y,1999,88(1/3):90O96.[12]D abade U A,Jo shi S S,Balasubramaniam R,et al.Surface F inish and Integr ity o f M achined Surface-son A l/SiCp Composites[J].Jour nal of M aterialsPro cessing T echnolog y,2007,192/193:166O174. [13]Suresh K umar Reddy N,Shin K wang-Sup,YangM inyang.Ex per imental Study of Surface Integr ityduring End M illing of A l/SiC Par ticulate M et al–mat rix Co mpo sites[J].Journal of M ater ials Pr o-cessing T echno lo gy,2008,201(1/3):574O579.(编辑张洋)作者简介:于晓琳,女,1978年生。
沈阳工业大学机械工程学院博士研究生,沈阳理工大学机械工程学院讲师。
研究方向为新材料精密及特种加工、精密超精密加工、高速切削加工。
发表论文7篇。
黄树涛,男,1964年生。
沈阳理工大学机械工程学院教授、博士研究生导师。
赵文珍,男,1956年生。
沈阳工业大学机械工程学院教授、博士研究生导师。
周丽,女,1971年生。
沈阳理工大学机械工程学院副教授。
周家林,男,1982年生。
沈阳理工大学机械工程学院硕士研究生。
面向制造的连续体结构拓扑优化设计方法研究王明强李治多江苏科技大学,镇江,212003摘要: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。
关键词:拓扑优化;SIM P模型;优化准则法;制造工艺约束中图分类号:T H122文章编号:1004)132X(2010)05)0524)05Research on Method of Topology Optimization Design of Continuum Structures for ManufacturingWang M ingqiang Li ZhiduoJiang su U niversity of Science and Technolog y,Zhenjiang,Jiangsu,212003 Abstract:In o rder to solv e the eng ineer ing application problems of to polo gy optimization,a meth-o d of the classification topo logy optimization for m anufacture w as presented,in w hich to po logy results fo r requirements of desig n and m anufacturing can be also g uaranteed.M eanw hile,fo r remov ing the instability co efficient,a hybrid density and sensitivity w ith Gaussian function filtering alg orithms w as pro posed.The new filtering alg orithm is easy to implement and has a good universality,w hich can solv e numerical instabilities w ell and obtain goo d results of the optim ization.U tilization o f hier archical to po logy optimization m ethods and related alg orithm s,the classical ex amples were calculated and com-pared the results of solutio n to verify the feasibility and effectiv eness of the pr opo sed method.Key words:to po logy o ptimizatio n;SIM P m odel;o ptimality criteria method;manufactur ing con-straint0引言随着拓扑优化理论的发展和拓扑优化工具的出现,拓扑优化已开始在航空、汽车等工程领域得到逐步应用。
在拓扑优化中引入制造工艺约束使得优化技术更具吸引力,制造工艺约束是在概念设计阶段需要考虑的重要因素。
因此,拓扑优化收稿日期:2009)05)31作为一种产生设计概念的工具,可进一步实现与制造约束的集成,这对缩短概念设计和工程实现之间的距离有重要意义[1]。
然而拓扑优化毕竟处于结构的概念设计阶段,其结果对于后续的设计与分析过程仅有概念性的指导意义,拓扑优化结果的工程可利用性问题已经成为制约拓扑优化进一步发展的障碍之一[2]。
# 524 #近几年,国内外学者对结构拓扑优化问题开展了广泛的研究。
T homas [1]在基本设计阶段考虑制造约束,用数学优化技术结合基于结构分析的有限元技术实现了设计的最优拓扑布局,完成了有益的轻量化要求,并将其用于压模、铸模及板金结构的优化中。
H arzheim 等[3]采用基于CAO 和SKO 的算法并考虑制造工艺约束,获得了更容易理解的设计方案。
陈义保等[4]提出了一种新的带有制造工艺约束的多约束结构拓扑优化设计模型。
左孔天[2,5]提出了基于工程约束思想的结构拓扑优化,通过在优化模型中加入制造加工约束来减小设计空间,确保工程可接受的及可制造的拓扑优化结果。
针对传统结构拓扑优化的结果在工程上难以制造加工的问题,为更好地处理在概念设计阶段连续体拓扑优化结果的工程实用化问题,提出了一种基于制造工艺约束的结构拓扑优化设计的方法,即面向制造的分级优化方法,使优化结果既满足工程设计性能要求,又同时满足制造加工性能的要求,以实现面向制造的结构拓扑优化设计。
图1 面向制造的分级拓扑优化实现流程图1 面向制造的分级拓扑优化方法面向制造的分级拓扑优化方法的思想是,采用分级优化策略处理带制造工艺约束的拓扑优化问题。
第一级优化从设计角度,确定结构拓扑优化结果的基本拓扑构型,以满足设计性能要求;第二级优化针对第一级优化所得的拓扑结果,进行制造可行性分析和加入制造工艺约束的二次拓扑优化,以获得面向制造的拓扑优化结果。
分级拓扑优化的实现流程如图1所示。
不直接在第一级优化中引入制造约束的原因在于,没有针对性,可能获得的只是局部最优。
采取分级优化可以保证全局最优,使拓扑优化结果同时满足设计要求和制造要求,具有工程应用价值。
2 面向制造的连续体拓扑优化模型2.1 基于制造约束的SIMP 法拓扑优化模型在面向制造的分级拓扑优化策略实现中,采用固体各向同性惩罚材料(solid istr opic m aterial w ith penalization,SIM P)模型[6]。
该优化模型的目标函数为结构的整体柔度最小即刚度最大,设计变量为单元密度,约束条件为体积约束和制造工艺约束,则拓扑优化模型为min C(x )=U T KU =ENi=1u T i k i u i =E Ni=1xpi u T i k 0u i(1)s.t.V (x )=f V 0=E Ni=1x iVi[VF =K U0<x m in [x i [x max [1G j (x i )-G 0[0H (x i )=0其中,C(x )为结构的柔顺度;F 为载荷矩阵;U 为位移矩阵;K 为整体刚度矩阵;x 为设计变量,x =x 1x 2,x NT;N 为设计变量的数目;x i 为单元i 的设计变量;V i 为单元i 的体积;u i 为单元位移矩阵;k 0和k i 分别优化前后的单元i 的刚度矩阵;V(x )为优化后结构的体积;V 0、V 分别为初始结构体积和结构最大体积;f 为体积系数;p 为惩罚因子;x max 、x min 分别为单元设计变量上下限,为了避免总刚度矩阵奇异,x min 通常取10-3;G j (x i )-G 0[0和H (x i )=0为制造工艺约束;j 为对应的约束个数。
可制造性工艺约束与具体优化对象的实际要求有关,应根据工程实际应用要求来确定。
2.2 成员尺寸控制约束及处理策略制造工艺约束包含成员尺寸控制约束、拔模约束、挤压约束、模式组(各种对称约束)及模式重复等约束。
这里从面向制造的优化角度出发,以成员尺寸控制约束为例,分析制造工艺约束的实施及处理策略。
成员尺寸控制约束分为最小成员尺寸约束和最大成员尺寸约束。
最小成员尺寸约束是指优化结果中单元密度为1的区域的允许最小尺度。
零部件在设计制造加工过程中,往往有一个最小尺寸要求,小于该尺寸范围的特征,将很难铸造或用刀具加工。
因此在零件的初始概念设计阶段就应考虑这一要求,针对零件不同的加工要求加入不#525#同的最小成员尺寸约束。
这里给出最小成员尺寸控制法的数学模型:L=E M e=1S e x e/d Q\L0(2)式中,L为离散边界单元孔洞的等效特征尺寸;S e为边界单元e的外表面积;d Q为边界孔洞相对于投影平面Q的平均深度;M为边界离散单元数;L0为加工尺寸下边界。