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题名考虑宏观结构性能的多材料微结构拓扑优化设计
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作者
张磊
倪绍豪
蒋国璋
张严
宫逸文
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机构
武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室
武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室
武汉科技大学精密制造研究院
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出处
《振动与冲击》
EI
CSCD
北大核心
2024年第11期185-193,共9页
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基金
国家自然科学基金项目(52301381
52205280)
+5 种基金
湖北省自然科学基金(2022CFC004)
湖北省交通运输厅交通运输科技项目(2022-11-1-4)
中国博士后科学基金(2021M692486)
数字制造装备与技术国家重点实验室开放基金(DMETKF2022017)
湖北省博士后创新研究岗位项目
武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室开放基金资助项目。
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文摘
多孔微结构材料以其质量轻、比刚度/比强度高、抗冲击等优异力学性能,被广泛应用于航空航天等工程领域。相比单一材料设计,多材料设计可获得力学性能更优的微结构拓扑构型。拓扑优化是实现多材料布局设计的有效方法之一。通过构建基于差集的多材料水平集描述模型和交替活动相算法,提出了基于参数化水平集的多材料微结构拓扑优化设计方法。首先,构建了基于差集的多材料水平集描述模型,利用N个水平集函数实现N+1相材料拓扑的精确描述。然后,引入交替活动相算法,将原始N+1相多材料优化问题分解为N(N+1)/2个双相材料优化子问题,以减少设计变量与约束条件,提高计算效率。最后,采用均匀化方法计算多材料微结构的等效弹性张量,以宏观结构柔度最小化为优化目标,各相材料用量为约束条件,构建多材料微结构拓扑优化模型,并利用优化准则法实现上述优化模型的高效求解。数值算例结果表明,所提方法可有效实现多材料微结构的拓扑优化设计,所设计微结构均具有光滑的结构边界和清晰的材料界面。
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关键词
拓扑优化
多材料微结构
水平集方法
均匀化方法
交替活动相算法
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Keywords
topology optimization
multi-material microstructure
level set method
homogenization method
alternating activity phase algorithm
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分类号
TH122
[机械工程—机械设计及理论]
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