基于大规模并行计算的三维薄壁填充结构特征频率拓扑优化设计

作     者：白影春 刘康 李超 韩旭 BAI Yingchun;LIU Kang;LI Chao;HAN Xu

作者机构：北京理工大学电动车辆国家工程研究中心北京100081 河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300401 

出 版 物：《机械工程学报》 (Journal of Mechanical Engineering)

年 卷 期：2024年第60卷第11期

页      面：32-40页

核心收录：

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 081402[工学-结构工程] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 0701[理学-数学] 0702[理学-物理学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家重点研发计划(2022YFB3403800) 国家重大专项(DCYY001) 国家自然科学基金(51805032)资助项目 

主　　题：薄壁填充结构 特征频率拓扑优化 并行计算 两步滤波 

摘      要：发展一种大规模并行拓扑优化框架,以最大化三维薄壁填充结构特征频率。通过两步滤波法描述薄壁区与填充区,建立以特征频率为目标、质量分数为约束的薄壁填充结构拓扑优化模型。基于PETSc和SLEPc软件包实现滤波方程和广义特征值方程的高效并行求解。推导特征频率和结构质量关于设计变量的灵敏度,并提交移动渐进线法(Methodofmoving asymptotes,MMA)求解器更新设计变量,直至算法收敛。在拓扑优化中,结合基于模态置信准则(Modal assurance criterion,MAC)的模态追踪方法以解决模态切换问题。研究具有不同质量分数约束的数值算例,以验证算法的有效性。最后,实现具有70万自由度的三维薄壁填充结构拓扑优化设计,分析CPU核数对算法性能的影响:与12核相比,使用28核的计算时间减少了43.7%。扩展薄壁填充结构拓扑优化方法以适用于特征频率最大化和大规模并行计算,为复杂装备结构轻量化设计提供有效的思路。