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考虑破损-安全的连续体结构拓扑优化ICM方法

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力学学报 2018年第3期50卷 611-621页

作者：彭细荣隋允康湖南城市学院土木工程学院湖南益阳413000 北京工业大学工程数值模拟中心北京100022

本文瞄准连续体在破损-安全考虑下的结构拓扑优化问题,旨在克服传统模型求解所得最终构型存在的弊病,避免结构因缺乏合理的冗余结构而敏感于局部破坏,实现破损-安全的目标.首先,梳理了以往虽然用到却并不明晰的4个概念:结构局部破损模... 详细信息

本文瞄准连续体在破损-安全考虑下的结构拓扑优化问题,旨在克服传统模型求解所得最终构型存在的弊病,避免结构因缺乏合理的冗余结构而敏感于局部破坏,实现破损-安全的目标.首先,梳理了以往虽然用到却并不明晰的4个概念:结构局部破损模式、结构局部破损区域、结构破损状况、结构破损状况的预估分布.之后,基于独立连续映射(ICM)方法,对该问题建立了力学性能约束下结构体积极小化的模型.建立目标函数时,利用Minimax的概念将可能出现的结构破损状况对应的所有结构体积目标转化为原结构的唯一结构体积目标,克服了多目标问题的困难.建立近似约束函数时,将可能出现的所有结构破损状况对应的力学性能的约束皆考虑进去,既能处理载荷单工况也能处理载荷多工况.最后,以位移约束为例,建立了优化模型并求解.单工况及多工况位移约束拓扑优化算例验证了算法的有效性.结果表明:本方法相比于不考虑破损-安全的拓扑优化设计,得到的最优拓扑更复杂,体积比更大即所用材料更多,亦即最优结构具有更多的冗余,此正是考虑破损-安全设计原则的结果.本文的研究对于航空、航天、其他水、陆等领域运载工具以及其他工程结构在意外破坏、战争创伤或恐怖袭击下的结构设计,乃是非常重要的进展.

关键词：体结构拓扑优化破损-安全 ICM 方法

连续体结构破损-安全拓扑优化预估破损区域的理性准则

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固体力学学报 2018年第6期39卷 594-605页

作者：彭细荣隋允康湖南城市学院土木工程学院益阳413000 北京工业大学工程数值模拟中心北京100022

针对连续体结构破损-安全的拓扑优化问题,通过几何分析途径,建立了预估破损区域的理性准则,即给出了结构局部破损模式尺寸上、下限及相邻局部破损区域的间距上、下限.以此理性准则,分析了Janson及Zhou给出的破损区域预估分布策略的各自... 详细信息

针对连续体结构破损-安全的拓扑优化问题,通过几何分析途径,建立了预估破损区域的理性准则,即给出了结构局部破损模式尺寸上、下限及相邻局部破损区域的间距上、下限.以此理性准则,分析了Janson及Zhou给出的破损区域预估分布策略的各自优缺点,并通过算例对相关策略进行了验证.结果表明:Janson的策略过于保守而导致不必要的极大计算量;Zhou的无缝平铺的策略不能保证所有拓扑生成离散元件通过破损测试,但在多数情况下仍可以得到具有足够冗余的最优拓扑;论文提出的以满足理性准则的方式布置破损区域,可以保证所有拓扑生成离散元件通过破损测试,并保证得到更多冗余的最优拓扑.论文的研究表明,预估破损区域的理性准则条件,为连续体结构破损-安全拓扑优化问题,提供了表述局部破损区域的理论进展.

关键词：连续体结构拓扑优化破损-安全 ICM方法理性准则

基于双向渐进结构优化法的“破损-安全”结构轻量化设计

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固体力学学报 2023年第1期44卷 70-83页

作者：冯佳吴艳发邱文科黄舟夏凉中国工程物理研究院总体工程研究所绵阳621900 华中光电技术研究所武汉430223 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074

“破损-安全”(fail-safe)设计通过冗余载荷路径设计提升结构的损伤容限(残余承载能力),是保障飞行器结构安全性的重要设计环节;然而,冗余结构形式不可避免地导致重量增加、效率降低,严重制约飞行器结构性能的进一步提升.论文基于双向... 详细信息

“破损-安全”(fail-safe)设计通过冗余载荷路径设计提升结构的损伤容限(残余承载能力),是保障飞行器结构安全性的重要设计环节;然而,冗余结构形式不可避免地导致重量增加、效率降低,严重制约飞行器结构性能的进一步提升.论文基于双向渐进结构优化法(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization),提出了一种“破损-安全”结构轻量化设计方法.具体地,设计方法采用“0/1”离散拓扑变量,以结构重量(材料用量)最小化作为优化目标,同时对局部破损结构的承载形变进行约束(低于安全阈值).针对渐进结构优化法难处理多设计约束的瓶颈,采用p范数法对局部破损结构的最大承载形变进行凝聚,并通过拉格朗日乘子将其耦合至优化目标函数,实现结构轻量化与“破损-安全”的同步设计.进一步地,并依据最大残余承载形变对局部区域破损之于“破损-安全”的影响程度进行判定,通过免除低影响局部破损区域的残余承载形变分析与约束,大幅度地提升了优化设计效率.通过系列基准测试算例,验证了论文“破损-安全”设计方法的有效性及高效性.

关键词：破损-安全拓扑优化渐进优化法轻量化设计残余承载能力

关于破损形状对破损-安全拓扑优化影响的研究

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关于破损形状对破损-安全拓扑优化影响的研究

北京力学会第二十七届学术年会

作者：余帝杜家政孟凡伟北京工业大学材料与制造学部

破损-安全设计原则在航空航天、船舶等对安全保障要求高的工程领域非常重要。结构破损具有局部性和随机性,为了研究破损形状对破损安全拓扑优化的影响,基于独立连续映射(ICM)方法,建立了以重量最小为目标,考虑破损-安全和位移约束的拓... 详细信息

破损-安全设计原则在航空航天、船舶等对安全保障要求高的工程领域非常重要。结构破损具有局部性和随机性,为了研究破损形状对破损安全拓扑优化的影响,基于独立连续映射(ICM)方法,建立了以重量最小为目标,考虑破损-安全和位移约束的拓扑优化模型,探讨破损形状对最优拓扑构型的影响。算例表明:在破损面积一定,收敛精度相同的条件下,不同破损形状以及不同局部破损布置方式得到的最优拓扑构型大致相同。

关键词：破损-安全拓扑优化破损形状 ICM方法

考虑破损-安全的连续体多频约束结构拓扑优化

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考虑破损-安全的连续体多频约束结构拓扑优化

北京力学会第二十七届学术年会

作者：孟凡伟杜家政北京工业大学材料与制造学部

结构拓扑优化的目的就是得到经济且安全的最优构型。在以往的连续体结构拓扑优化中,材料的大量去除虽然带来可观的经济效益,却使结构冗余度丧失殆尽。破损-安全设计理念的引入,显著改善了这一境况。本文利用ICM方法建立了考虑破损-安全... 详细信息

结构拓扑优化的目的就是得到经济且安全的最优构型。在以往的连续体结构拓扑优化中,材料的大量去除虽然带来可观的经济效益,却使结构冗余度丧失殆尽。破损-安全设计理念的引入,显著改善了这一境况。本文利用ICM方法建立了考虑破损-安全的以结构重量为目标、多阶频率为约束的连续体结构拓扑优化模型,并使用对偶序列二次规划方法求解,将破损-安全问题拓展到频率优化领域。数值算例表明本模型的有效性。结果表明在频率优化领域,相比与传统频率约束所得到的最优构型,本文所得到的最优结构明显材料保留更多,结构形状更复杂,具有更高的冗余度。使用本文的方法可以避免最优构型的频率敏感于材料的局部破损,使结构满足破损-安全设计原则,具有重要的工程应用价值。

关键词：拓扑优化破损-安全多频约束

考虑破损-安全的连续体结构拓扑优化效率研究

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考虑破损-安全的连续体结构拓扑优化效率研究

北京力学会第26届学术年会

作者：孟凡伟杜家政北京工业大学机电学院

2014年Jansen首先将破损-安全理念引入到连续体结构拓扑优化中,而后经过Zhou的跟进发展,连续体结构拓扑进入到一个全新的领域,人们不再过度追求优化结构的高效精简,而是要求优化后的构型具有足够的冗余度。本文结合传统的拓扑优化,以考... 详细信息

2014年Jansen首先将破损-安全理念引入到连续体结构拓扑优化中,而后经过Zhou的跟进发展,连续体结构拓扑进入到一个全新的领域,人们不再过度追求优化结构的高效精简,而是要求优化后的构型具有足够的冗余度。本文结合传统的拓扑优化,以考虑破损-安全条件下位移约束的连续体拓扑优化为例,提出了一种全新的考虑损伤的优化思路。算例表明采用本文的方法在处理考虑破损-安全条件下位移约束的拓扑优化模型时,在收敛精度相同的条件下,迭代次数明显减少,优化效率得到提高。

关键词：拓扑优化破损-安全优化效率

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连续体结构破损-安全拓扑优化效率研究

连续体结构破损-安全拓扑优化效率研究

北京力学会第二十九届学术年会

作者：丛雪杜家政北京工业大学材料与制造学部

在考虑破损-安全连续体结构拓扑优化求解过程中,每步迭代所涉及的结构分析次数占据着整个优化过程计算工作量的主导地位,这促使研究者寻找高效的解法和可行的优化策略以减少在结构分析中投入的计算量。本文基于独立连续映射(ICM)方法中... 详细信息

在考虑破损-安全连续体结构拓扑优化求解过程中,每步迭代所涉及的结构分析次数占据着整个优化过程计算工作量的主导地位,这促使研究者寻找高效的解法和可行的优化策略以减少在结构分析中投入的计算量。本文基于独立连续映射(ICM)方法中拓扑变量独立于单元物理属性的特点,提出了筛选破损工况优化策略,该策略可以在不影响拓扑结果的基础上缩短优化时长、显著提高拓扑优化效率,该策略对考虑破损-安全的连续体结构拓扑优化领域具有指导意义。优化算例验证了本文策略的合理性和可行性。

关键词：破损-安全连续体拓扑优化优化效率 ICM方法

基于ICM和应力全局化的破损-安全连续体拓扑优化

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基于ICM和应力全局化的破损-安全连续体拓扑优化

中国力学大会（CCTAM2019）

作者：杜家政郭云航隋允康邓稳北京工业大学

连续体结构拓扑优化得到的结构往往与骨架结构相似,与原结构相比,材料的利用率得到很大提高。冗余结构的删除导致最优结构不允许局部破损的存在,任何的局部破损都会导致整体结构的失效。为了提高结构的可靠性,在ICM拓扑优化方法框架下,... 详细信息

连续体结构拓扑优化得到的结构往往与骨架结构相似,与原结构相比,材料的利用率得到很大提高。冗余结构的删除导致最优结构不允许局部破损的存在,任何的局部破损都会导致整体结构的失效。为了提高结构的可靠性,在ICM拓扑优化方法框架下,基于应力全局化方法,建立了考虑破损-安全条件、以应力为约束、重量为目标的连续体结构拓扑优化模型,并采用对偶序列二次规划方法对模型进行求解,旨在提高最优结构的冗余,降低最优结构的强度对局部破损的敏感性。采用应力全局化方法可以成功的解决由于应力约束的局部性质所带来的计算量大、难于求解的困难。算例表明:该方法能有效的获得满足破损工况的最佳传力路径和减重效果,能有效提高结构的冗余;该方法能够识别出最不利破损工况的位置,为设计人员提供参考和指导;最优结构总重量具有随着破损区域尺寸的增加而增大的规律。

关键词： ICM方法应力全局化拓扑优化破损-安全应力约束

考虑应力和位移约束的连续体破损安全拓扑优化

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考虑应力和位移约束的连续体破损安全拓扑优化

北京力学会第二十八届学术年会

作者：张颖杜家政北京工业大学材料与制造学部

由于传统拓扑优化得到的最优结构没有考虑到冗余度的需求,一旦其发生局部破损,最优结构会发生整体失效。越来越多的学者将破损安全的理念与拓扑优化相结合并取得了大量成果,但多是单一约束作用并不符合工程实际需要。从实际应用出发同... 详细信息

由于传统拓扑优化得到的最优结构没有考虑到冗余度的需求,一旦其发生局部破损,最优结构会发生整体失效。越来越多的学者将破损安全的理念与拓扑优化相结合并取得了大量成果,但多是单一约束作用并不符合工程实际需要。从实际应用出发同时考虑应力和位移束条件,基于ICM方法建立了连续体破损安全拓扑优化模型,将局部应力约束转换为全局性应变能约束,采用莫尔积分将位移约束显式化处理,再进行无量纲化;并使用对偶序列二次规划方法求解。数值算例证明了理论模型的有效性,结果表明相比于传统优化所得到的最优构型,本文所得到的最优结构在达到减重效果的同时保留更多材料使得结构更加可靠,结构构型更复杂,具有更高的冗余度,可以更好的抵抗局部破损。

关键词：破损-安全拓扑优化多约束 ICM方法