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空间结构节点的拓扑优化与增材制造

土木工程学报 2019年第2期52卷 1-10页

作者：陈敏超赵阳谢亿民浙江大学浙江杭州310058 皇家墨尔本理工大学

在简要介绍连续体结构拓扑优化的数学描述和数值算法的基础上,建立一空间结构节点模型,利用优化软件OptiStruct对节点进行单工况和多工况下的拓扑优化设计。详细讨论了棋盘格控制、SIMP法密度插值惩罚系数等参数设置以及对称约束、成员... 详细信息

在简要介绍连续体结构拓扑优化的数学描述和数值算法的基础上,建立一空间结构节点模型,利用优化软件OptiStruct对节点进行单工况和多工况下的拓扑优化设计。详细讨论了棋盘格控制、SIMP法密度插值惩罚系数等参数设置以及对称约束、成员尺寸约束等工艺制造约束对优化结果的影响。经多次尝试比较得到受力合理、外观简洁且具有设计美感的优化节点模型,并利用熔融沉积制造技术完成采用聚乳酸材料的节点打印。文中进一步讨论了实际工程中利用增材制造(3D打印)技术对优化模型进行制造成型的可行性。目前易于实现的途径是将增材制造和传统制造工艺结合起来,如利用3D打印制作复杂铸钢节点的模具、3D打印蜡模进行失蜡铸造等。

关键词：空间结构节点拓扑优化增材制造变密度法

一种提高多材料拓扑优化结构安全性和强度的策略

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Acta Mechanica Sinica 2023年第8期39卷 77-89页

作者：李瑜袁烽谢亿民 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

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M... 详细信息

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.

关键词：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

3D打印制造约束下的多孔结构与路径协同优化方法

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机械工程学报 2024年第19期60卷 241-249页

作者：夏令伟谢亿民马国伟河北工业大学智慧基础设施研究院天津300401 皇家墨尔本理工大学创新结构与材料中心澳大利亚墨尔本3001

多孔结构具有优异的综合性能,得到广泛工程应用。相较于等材制造和减材制造,3D打印增材制造在多孔结构的制备上更加灵活、效率更高。然而,其复杂的拓扑形态导致打印路径的不连续和不均匀填充,降低成型质量和力学性能。针对上述问题,提... 详细信息

多孔结构具有优异的综合性能,得到广泛工程应用。相较于等材制造和减材制造,3D打印增材制造在多孔结构的制备上更加灵活、效率更高。然而,其复杂的拓扑形态导致打印路径的不连续和不均匀填充,降低成型质量和力学性能。针对上述问题,提出了基于Voronoi骨架的多孔结构与路径协同优化方法。在结构优化的基础上,通过施加制造约束考虑路径优化问题,生成适合3D打印的多孔结构。结构的材料分布可根据受力状态进行调整,以周期和梯度两种形态构造Voronoi多孔单元。结合深度优先检索算法,优化结构采用Voronoi骨架偏置而成的全局连续路径填充。计算结果显示协同优化方法解决了路径的整数倍和自交问题,实现了多孔结构的均匀打印;消除了路径断点和喷头空驶产生的打印缺陷。通过挤出成型增材制造技术验证了可行性。力学实验证明由于协同优化方法实现了多孔结构的高质量打印,打印构件的力学性能明显优于传统方法。本研究为实现3D打印多孔结构的高性能化、推动材料-结构-性能一体化设计具有重要作用。

关键词：增材制造结构优化路径优化设计制造一体化

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移动互联风暴口的“猪”

作者：谢亿民

来源：南通市图书馆图书评论

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基于子区域的结构拓扑优化并行策略

Acta Mechanica Sinica 2023年第9期39卷 114-125页

作者：赵子龙荣毅燕翌冯西桥谢亿民 Institute of Solid Mechanics School of Aeronautic Science and EngineeringBeihang UniversityBeijing 100191China Centre for Innovative Structures and Materials School of EngineeringRMIT UniversityMelbourne 300lAustralia Department of Engineering Mechanics MIIT Key Laboratory of Dynamics and Control of Complex SystemsNorthwestern Polytechnical UniversityXi'an710072China Institute of Biomechanics and Medical Engineering Department of Engineering MechanicsTsinghua UniversityBejing 100084China

结构拓扑优化在过去的三十年里经历了巨大的发展,充分利用高性能计算资源有助于拓宽拓扑优化在大规模设计问题中的应用。本文提出了一种针对一般三维拓扑优化的基于子区域的并行策略。通过子区域划分、矩阵运算、引入单元硬杀算法,优化... 详细信息

结构拓扑优化在过去的三十年里经历了巨大的发展,充分利用高性能计算资源有助于拓宽拓扑优化在大规模设计问题中的应用。本文提出了一种针对一般三维拓扑优化的基于子区域的并行策略。通过子区域划分、矩阵运算、引入单元硬杀算法,优化过程得以显著提速.将该策略整合进高效、简洁的Python代码;该代码可适用于任意形状的设计域.附录一中给出的完整代码,易于扩展,扩展后可解决多类优化问题.通过求解四个柔度最小化问题展示了该策略的高效性.本研究在机械工程、先进制造,以及建筑设计等领域有潜在的应用价值.

关键词：并行策略高性能计算子区域划分最小化问题结构拓扑优化 Python 设计域建筑设计

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一种刚度可调控的负泊松比管状结构

复合材料学报 2022年第4期39卷 1813-1823页

作者：孙龙任鑫张毅陶智张相玉谢亿民南京工业大学土木工程学院南京210000 皇家墨尔本理工大学创新结构与材料研究中心墨尔本3001

负泊松比材料具有优良的抗压痕性、抗剪切性、曲面同向性、断裂韧性和能量吸收性等特点,受到了国内外学者的广泛关注。负泊松比管状结构作为一个新兴的研究热点,在工程和医疗领域都有着广泛的应用前景。然而,在拉伸与压缩下同时具有负... 详细信息

负泊松比材料具有优良的抗压痕性、抗剪切性、曲面同向性、断裂韧性和能量吸收性等特点,受到了国内外学者的广泛关注。负泊松比管状结构作为一个新兴的研究热点,在工程和医疗领域都有着广泛的应用前景。然而,在拉伸与压缩下同时具有负泊松比效应的管状结构仍鲜有报道。由于内部周期性孔洞的存在,大多数负泊松比材料和结构具有较低的比刚度。因此,本文提出了一种新型刚度可调控的负泊松比管状结构,并对不同旋转方式、密实点提前程度、变形区域高度h等参数进行了有限元分析与试验研究。研究结果表明:变刚度圆管的刚度大小可通过密实点比例因子进行调控,同时可以调整h值的大小来减小设计值与真实值之间的误差。新研制的负泊松比管状结构不仅大幅提升了负泊松比管状结构的刚度,且同时维持了理想的负泊松比效应。本文所研发的负泊松比管状结构在防护工程中具有较好的应用前景,且为负泊松比结构的设计提供了新思路。

关键词：负泊松比负泊松比材料管状结构变刚度胞元优化准静态压缩

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走向数字时代的建筑结构性能化设计

建筑学报 2017年第11期 1-8页

作者：袁烽柴华谢亿民同济大学建筑与城市规划学院上海200092 上海一造建筑智能工程有限公司上海200433 澳大利亚皇家墨尔本理工大学

对数字时代的建筑结构性能化设计方法进行综合阐述,并结合研究与实践对数字时代的"结构性能美学"和"结构性能化建构"进行梳理和展望。

关键词：结构性能化设计数字化建造技术性能美学数字性能化建构

基于位移约束的类周期性连续体结构拓扑优化设计

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应用力学学报 2013年第6期30卷 876-881,953-954页

作者：荣见华廖莺赵志军谢亿民易继军长沙理工大学工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室长沙410004 长沙理工大学工程车辆安全性设计与可靠性技术湖南省重点实验室长沙410004 长沙学院土木系长沙410004 澳大利亚皇家墨尔本理工大学土木、环境与化学工程学院BOX2476墨尔本

提出了一种基于位移约束的类周期性连续体结构拓扑优化设计的方法。为了获得类周期性结构的最优拓扑,将优化的结构区域划分成若干个子区域;为了解决目标函数振荡问题,在每一迭代步形成并引入变位移约束限,以单元相对密度指数幂的倒数作... 详细信息

提出了一种基于位移约束的类周期性连续体结构拓扑优化设计的方法。为了获得类周期性结构的最优拓扑,将优化的结构区域划分成若干个子区域;为了解决目标函数振荡问题,在每一迭代步形成并引入变位移约束限,以单元相对密度指数幂的倒数作为设计变量,建立了位移约束的显式近似式,并形成了以结构质量作为目标函数、以位移作为约束条件的类周期性结构拓扑优化近似模型;本文通过改进对偶求解方法,建立了拉格朗日乘子迭代求解公式;引入虚拟子域设计变量,建立了类周期性结构各子区域单元设计变量之间的联系,满足了指定的类周期性约束条件,并推导出了设计变量迭代公式;最后给出了梁结构拓扑设计和双坡梯形屋钢屋架设计的算例。结果表明:随着周期数的增加,子结构尺寸对最优拓扑的影响减弱;优化迭代过程中没有目标函数振荡现象。以上结果验证了本文方法的可行性和有效性。

关键词：类周期性结构拓扑优化位移约束二次规划法拉格朗日乘子

渐进结构优化法(ESO)和双向渐进结构优化法(BESO)的近期发展

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力学进展 2011年第4期41卷 462-471页

作者：谢亿民黄晓东左志豪唐继武荣见华皇家墨尔本理工大学土木环境与化学工程学院长沙理工大学汽车与机械工程学院长沙410004

本文介绍渐进结构优化法和双向渐进结构优化法的近期发展和主要研究成果.从理论层面对该方法的合理性、连续体拓扑优化在多种工程问题中的应用,以及计算机软件的具体实现,进行了阐述及算例演示.这些结果充分展示了渐进结构优化法解决实... 详细信息

本文介绍渐进结构优化法和双向渐进结构优化法的近期发展和主要研究成果.从理论层面对该方法的合理性、连续体拓扑优化在多种工程问题中的应用,以及计算机软件的具体实现,进行了阐述及算例演示.这些结果充分展示了渐进结构优化法解决实际工程优化设计问题的能力,以及其通过现有成熟建模界面广泛应用于日常建筑和机械结构设计的可行性.

关键词：渐进结构优化法结构拓扑优化优化设计 BESO 连续体结构结构优化软件