一种提高多材料拓扑优化结构安全性和强度的策略

作     者：李瑜 袁烽 谢亿民 Yu Li;Philip F.Yuan;Yi Min Xie

作者机构：College of Architecture and Urban Planning Tongji University Shanghai 200092 China Centre for Innovative Structures and Materials School of Engineering RMIT University Melbourne 3001 Australia 

出 版 物：《Acta Mechanica Sinica》 (力学学报（英文版）)

年 卷 期：2023年第39卷第8期

页      面：77-89页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0814[工学-土木工程] 0701[理学-数学] 

基　　金：This work was supported by the Australian Research Council(Grant No.FL190100014) the Shanghai Municipal Science and Technology Major Project(Grant No.2021SHZDZX0100) the National Key Research and Development Program"Inter-governmental Cooperation in International Science and Technology Innovation"(Grant No.2022YFE0141400) the National Natural Science Foundation of China(Grant No.U1913603). 

主　　题：分布策略 拓扑优化 双向渐进结构优化 复合结构 混凝土材料 分配策略 结构安全性 应力过大 

摘      要：本文介绍了一种用于多材料拓扑优化中分配两种不同材料的新策略.基于单一材料的双向渐进结构优化(BESO)法开发的多材料双向渐进结构优化(MBESO)法能够有效的处理诸如钢-混凝土这种双材料结构的拓扑优化问题.然而,在一些特殊情况下,使用MBESO方法设计的多材料结构中,部分受压材料可能会出现受压超限导致结构不安全的情况.为了解决这种关键问题,本文提出了一种简单而有效的材料分布策略.例如在钢-混凝土结构中,部分压应力过大的混凝土材料可以用钢材替代.在压力最大的局部区域布置少量的钢材可以有效地将混凝土材料的最大压应力降至安全水平.本文通过一系列2D和3D案例的对比研究表明,相比于原始的MBESO方法,改进的双材料分布策略可以有效的解决双材料拓扑优化结构中局部压应力过大的情况,证明了该方法在增强拓扑优化复合结构的安全性方面的有效性,显示出该材料分配策略在多材料拓扑优化研究和应用中的巨大潜力和价值.