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量子退火驱动的桁架结构拓扑优化设计方法
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作者 王炎 杨迪雄 +1 位作者 雷振增 陈国海 《计算力学学报》 北大核心 2025年第3期339-345,361,共8页
为克服桁架结构传统拓扑优化方法面临的计算效率低、易陷入局部最优等局限,本文基于桁架基结构思想,提出了一种量子退火驱动的桁架结构刚度优化设计方法。首先,选取桁架结构的弹性应变能作为目标函数,将体积约束表达成惩罚项形式嵌入结... 为克服桁架结构传统拓扑优化方法面临的计算效率低、易陷入局部最优等局限,本文基于桁架基结构思想,提出了一种量子退火驱动的桁架结构刚度优化设计方法。首先,选取桁架结构的弹性应变能作为目标函数,将体积约束表达成惩罚项形式嵌入结构优化问题的哈密顿量中,形成无约束优化问题。然后,通过构造杆件截面积的增量与编码量子比特的指数型映射关系,同时引入辅助量子比特,并以量子退火算法驱动其变化来实现增量正负方向的调整,从而将体积约束下的桁架刚度最大化问题转化为量子退火机能够求解的二次无约束二进制优化问题。使用经典计算机执行有限元分析,在专用量子退火机上实现优化求解,发展了经典与量子计算混合优化框架。两个桁架拓扑优化算例验证了本文提出的算法的稳定收敛性,并展示了量子退火算法在结构优化领域的可行性与应用潜力,为工程优化设计提供了一种融合经典计算与量子算法的创新范式。 展开更多
关键词 桁架结构 拓扑优化设计 量子退火算法 量子计算 二次无约束二进制优化问题
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连续体结构的拓扑优化设计 被引量:156
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作者 罗震 陈立平 +1 位作者 黄玉盈 张云清 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2004年第4期463-476,共14页
对基于有限元数值求解技术的连续体结构的拓扑优化设计技术进行了综述.利用密度-刚度插值格式和优化准则方法,以结构的柔度最小化作为优化的目标函数,论述并建立线弹性结构的静力学拓扑优化设计的数学模型和设计变量显示的迭代格式;基... 对基于有限元数值求解技术的连续体结构的拓扑优化设计技术进行了综述.利用密度-刚度插值格式和优化准则方法,以结构的柔度最小化作为优化的目标函数,论述并建立线弹性结构的静力学拓扑优化设计的数学模型和设计变量显示的迭代格式;基于数学规划方法中的一种凸规划方法--移动渐近线方法和密度方法,以结构的频率最:大化作为优化的目标函数,论述并建立了特征值问题拓扑优化设计的数学模型和设计变量隐式的更新方法.对多目标拓扑优化问题、柔性机构的拓扑优化问题以及多物理场拓扑优化设计问题进行了讨论.对优化结构中出现的棋盘格式和网格依赖性等数值计算问题进行剖析和讨论,介绍和分析了目前解决数值计算问题常见的方法,在此基础上对边界扩散现象进行了讨论.给出了连续体结构拓扑优化设计的程序流程,并用Matlab程序实现了算法,通过几个典型的算例证明所综述方法的有效性. 展开更多
关键词 连续体结构 迭代格式 凸规划 特征值问题 渐近线 隐式 数值计算 拓扑优化设计 柔性机构 设计变量
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支撑结构多目标拓扑优化设计研究 被引量:18
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作者 方子帆 杨磊 +2 位作者 杜道佳 何孔德 张屹 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第15期1836-1839,共4页
以支撑结构为对象,研究了多工况下结构材料的最优布局和结构固有频率最大化的多目标优化问题。在基于变密度连续体结构拓扑优化方法的基础上,采用折中规划法研究多工况下多目标优化函数问题,建立了支撑结构的拓扑优化模型,利用分析层级... 以支撑结构为对象,研究了多工况下结构材料的最优布局和结构固有频率最大化的多目标优化问题。在基于变密度连续体结构拓扑优化方法的基础上,采用折中规划法研究多工况下多目标优化函数问题,建立了支撑结构的拓扑优化模型,利用分析层级法确定了各子目标的权重,进行了多目标拓扑优化,得到了材料的优化布局方案,减轻了结构质量,提高了结构固有频率。研究表明拓扑优化方法适用于板壳类结构的优化设计。 展开更多
关键词 支撑结构 拓扑优化设计 多目标优化 折中规划 分析层级法
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汽车车身复杂钣金件的拓扑优化设计 被引量:18
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作者 李红建 邱少波 +2 位作者 林逸 张君媛 刘静岩 《汽车工程》 EI CSCD 北大核心 2003年第3期303-306,302,共5页
利用有限元方法 ,结合零件的造型、约束、受力和模态等特点 ,对汽车车身复杂钣金件进行了拓扑分析和设计。利用激光模态分析仪对实物进行了模态测量 ,分析结果和测量结果基本一致。从而验证了拓扑优化方法可以用于复杂钣金件的设计 。
关键词 汽车 车身 复杂钣金件 拓扑优化设计 设计方案 薄板弯曲理论 弹性模量 刚度
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集装箱半挂车车架结构拓扑优化设计 被引量:28
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作者 石琴 姚成 马恒永 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第1期10-12,17,共4页
用 ANSYS软件对某集装箱半挂车车架进行了结构拓扑优化设计。探讨了拓扑优化设计过程中 ,基本结构建立、优化过程控制及优化结果分析与应用等问题 ,分析了 ANSYS软件中有关拓扑优化函数的应用方法。实现了拓扑优化方法在汽车结构的初始... 用 ANSYS软件对某集装箱半挂车车架进行了结构拓扑优化设计。探讨了拓扑优化设计过程中 ,基本结构建立、优化过程控制及优化结果分析与应用等问题 ,分析了 ANSYS软件中有关拓扑优化函数的应用方法。实现了拓扑优化方法在汽车结构的初始设计过程中的应用。 展开更多
关键词 集装箱半挂车 车架结构 拓扑优化设计 汽车结构 ANSYS软件 基本结构 设计过程 结构拓扑优化 程控
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空间相机碳纤维支撑结构改进及拓扑优化设计 被引量:12
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作者 王永宪 王兵 任建岳 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2009年第4期702-704,724,共4页
碳纤维复合材料杆件密度小、比刚度高、线胀系数小,因此,碳纤维杆件支撑结构是空间相机框架常用支撑结构。采用螺纹胶接方法对碳纤维复合材料与金属件结构预埋工艺进行了有效的改进,提高了结构固有频率6Hz左右,有效提高了构件间的连接... 碳纤维复合材料杆件密度小、比刚度高、线胀系数小,因此,碳纤维杆件支撑结构是空间相机框架常用支撑结构。采用螺纹胶接方法对碳纤维复合材料与金属件结构预埋工艺进行了有效的改进,提高了结构固有频率6Hz左右,有效提高了构件间的连接强度和刚度。采用拓扑优化方法对空间相机支撑结构进行优化设计,并采用有限元分析法对某型空间相机支撑结构优化设计的结果进行检验。结果表明:支撑结构在一阶固有频率提高了9.5%,为相机后续研制工作提供了一定基础。 展开更多
关键词 空间相机 碳纤维 预埋工艺 拓扑优化设计
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剪式单元可展机构静力学分析与拓扑优化设计 被引量:31
7
作者 杨毅 丁希仑 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第2期184-189,共6页
利用矩阵凝聚法,推导出了一种五自由度剪式单元的有限元模型,并对一种圆柱式折叠结构进行了静力学分析。将拓扑优化中的SIMP法引入到可展机构的优化设计中,对可展机构进行了拓扑优化研究。分别以结构柔度最小化和结构效率最大化作为优... 利用矩阵凝聚法,推导出了一种五自由度剪式单元的有限元模型,并对一种圆柱式折叠结构进行了静力学分析。将拓扑优化中的SIMP法引入到可展机构的优化设计中,对可展机构进行了拓扑优化研究。分别以结构柔度最小化和结构效率最大化作为优化目标函数,对圆柱式折叠结构进行了拓扑布局优化。优化后的结构质量大大减轻,而结构效率得到提高。对结构的动力学性能进行了探讨。研究结果对可展机构的轻量化设计有一定帮助。 展开更多
关键词 可展机构 剪式单元 拓扑优化设计 SIMP法 结构效率
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猪舍废气净化系统填料结构多目标拓扑优化设计与试验 被引量:7
8
作者 王昱 牟剑 +3 位作者 曾志雄 吕恩利 刘喜佳 涂彬 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第7期329-334,共6页
针对猪舍废气净化系统的填料结构,提出同时考虑结构机械性能与净化空间需求进行填料结构设计。将填料结构视为一种周期性结构,基于逆向均匀化方法和参数化水平集方法相结合的多目标拓扑优化方法,对周期性结构的单胞拓扑结构进行优化。... 针对猪舍废气净化系统的填料结构,提出同时考虑结构机械性能与净化空间需求进行填料结构设计。将填料结构视为一种周期性结构,基于逆向均匀化方法和参数化水平集方法相结合的多目标拓扑优化方法,对周期性结构的单胞拓扑结构进行优化。以填料结构的最大等效体积模量和最大等效渗透率为优化目标,以等效孔隙率为约束条件,通过HashinShtrikman属性边界得到等效体积模量及等效渗透率的极值,运用帕累托优化法求得满足多目标条件的帕累托最优解。根据帕累托最优解设计了不同孔隙率的填料结构构型,并通过试验验证填料结构设计方法的可行性与正确性。试验表明,填料结构前后端压力差与填料结构孔隙率成反比,与前端风速成正比;当填料结构孔隙率分别为80%、85%和90%时,稳定后平均除氨效率分别为66%、62%和58%。本研究可为猪场废气净化系统填料结构设计提供参考,可根据不同猪舍对风阻与净化效率的实际要求选择填料结构。 展开更多
关键词 猪舍 废气净化 拓扑优化设计 填料 周期结构
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结构及柔顺机构拓扑优化设计中的拓扑图提取 被引量:16
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作者 付永清 张宪民 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2006年第1期75-84,共10页
拓扑图提取是结构和柔顺机构拓扑优化设计中的重要课题,然而,基于有限元法的拓扑优化结果中常常出现棋盘格和中间密度单元,这些问题直接影响着拓扑图的轮廓提取。并指出棋盘格的消除、中间单元的取舍和拓扑图的轮廓提取是结构和柔顺机... 拓扑图提取是结构和柔顺机构拓扑优化设计中的重要课题,然而,基于有限元法的拓扑优化结果中常常出现棋盘格和中间密度单元,这些问题直接影响着拓扑图的轮廓提取。并指出棋盘格的消除、中间单元的取舍和拓扑图的轮廓提取是结构和柔顺机构拓扑图提取过程中的3个主要问题。对拓扑优化中出现棋盘格和中间单元问题的原因及现有的解决方法进行了讨论。对图像处理中的水平集方法、参数活动轮廓和边缘检测方法3种典型的轮廓提取方法也进行了讨论。 展开更多
关键词 拓扑优化设计 棋盘格 中间单元 轮廓提取
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具有应力和厚度约束的平面弹性体结构拓扑优化设计 被引量:16
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作者 王健 程耿东 《机械科学与技术》 CSCD 北大核心 2002年第5期741-744,共4页
研究了具有应力和厚度约束的弹性平面体结构拓扑优化问题。这类问题不同于一般意义的拓扑优化问题 ,其优化结果不仅得到最优拓扑 ,而且得到最优形状和尺寸。建立了这类问题的数学模型 ,给出了求解策略 。
关键词 拓扑优化设计 应力约束 厚度约束 平面弹性体
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航天器整体式多组件结构拓扑优化设计与应用 被引量:6
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作者 朱继宏 高欢欢 +1 位作者 张卫红 周莹 《航空制造技术》 北大核心 2014年第14期26-29,共4页
本文以航天器多组件结构系统设计为例,介绍了近年来拓扑优化技术在航天器多组件结构系统设计中的工程应用情况,并对其发展前景进行展望。文中选择了国内外两个代表性设计进行了详细分析,以作为具体航空航天多组件结构系统设计的参考... 本文以航天器多组件结构系统设计为例,介绍了近年来拓扑优化技术在航天器多组件结构系统设计中的工程应用情况,并对其发展前景进行展望。文中选择了国内外两个代表性设计进行了详细分析,以作为具体航空航天多组件结构系统设计的参考和对照。 展开更多
关键词 拓扑优化设计 组件结构 航天器 应用 整体式 结构系统 优化技术 发展前景
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柔顺机构拓扑优化设计中的拓扑图提取综述 被引量:2
12
作者 付永清 朱健璎 金周晟 《组合机床与自动化加工技术》 北大核心 2017年第5期1-4,共4页
针对柔顺机构拓扑优化设计中的拓扑图提取问题,就其中的中间单元、棋盘格和轮廓提取问题进行了详细综述。在此基础上,指出棋盘格的消除、中间单元的取舍和拓扑图的轮廓提取是柔顺机构拓扑图提取中的重要问题,并分析了该三个问题出现的... 针对柔顺机构拓扑优化设计中的拓扑图提取问题,就其中的中间单元、棋盘格和轮廓提取问题进行了详细综述。在此基础上,指出棋盘格的消除、中间单元的取舍和拓扑图的轮廓提取是柔顺机构拓扑图提取中的重要问题,并分析了该三个问题出现的原因。 展开更多
关键词 柔顺机构 拓扑优化设计 棋盘格 中间单元 轮廓提取
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基于微遗传算法的压电智能板结构/控制一体化拓扑优化设计及拓扑图提取 被引量:1
13
作者 何建军 陈享姿 《机械强度》 CAS CSCD 北大核心 2016年第4期754-759,共6页
研究同时考虑结构拓扑构型、作动器位置与数目和控制器加权参数的压电智能板结构的结构/控制一体化拓扑优化设计问题。提出采用基于耦合模态空间的二次型最优控制系统设计,与基于微遗传算法和小波分析降噪相结合的策略进行一体化拓扑优... 研究同时考虑结构拓扑构型、作动器位置与数目和控制器加权参数的压电智能板结构的结构/控制一体化拓扑优化设计问题。提出采用基于耦合模态空间的二次型最优控制系统设计,与基于微遗传算法和小波分析降噪相结合的策略进行一体化拓扑优化设计的实现和拓扑图提取。数值算例的结果表明,所提新方法计算量小,效率高,能够得到清晰的结构拓扑和良好的可控性。 展开更多
关键词 结构/控制一体化拓扑优化设计 微遗传算法 小波分析降噪 拓扑图提取
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对离散变量结构拓扑优化设计几个问题的探讨
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作者 王跃方 孙焕纯 《大连理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 1997年第6期733-735,共3页
探讨了离散变量结构拓扑优化的三个问题.指出离散变量拓扑优化也存在所谓奇异拓扑的现象;指出设计变量的离散程度和位移约束影响最优拓扑,优化设计时不可忽视.
关键词 离散变量 结构设计 拓扑优化设计
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基于变密度法的床鞍结构拓扑优化设计 被引量:9
15
作者 李珊珊 丛明 +1 位作者 王贵飞 周孜亮 《组合机床与自动化加工技术》 北大核心 2014年第4期19-21,25,共4页
以数控车床床鞍为研究对象,基于HyperMesh平台构建床鞍的有限元模型后对其进行静动态特性分析,得到了床鞍在静态载荷下的变形云图以及1阶固有频率和振型。根据研究分析结果对床鞍进行了基于变密度法的拓扑优化设计。针对优化后的床鞍空... 以数控车床床鞍为研究对象,基于HyperMesh平台构建床鞍的有限元模型后对其进行静动态特性分析,得到了床鞍在静态载荷下的变形云图以及1阶固有频率和振型。根据研究分析结果对床鞍进行了基于变密度法的拓扑优化设计。针对优化后的床鞍空腔,采取不同类型的筋板单元进行填充。比较其质刚比,最终得出床鞍静刚度最优的结构。文章的优化结果为改进床鞍的结构提供了理论依据,文章的分析思路和方法为其他机床床鞍的设计和生产提供了参考。 展开更多
关键词 变密度法 床鞍结构 拓扑优化设计
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空间3-RPC柔顺并联机构拓扑优化设计 被引量:2
16
作者 杜海堂 张荣兴 《组合机床与自动化加工技术》 北大核心 2017年第9期31-34,39,共5页
为了获得空间柔顺并联机构构型,基于传统并联机构的设计原型,采用拓扑优化理论对空间并联机构进行拓扑优化设计。首先,以空间3-RPC并联机构为研究对象,建立机构的微运动学矢量连续映射Jacobian矩阵。然后,建立空间3-RPC柔顺并联机构的... 为了获得空间柔顺并联机构构型,基于传统并联机构的设计原型,采用拓扑优化理论对空间并联机构进行拓扑优化设计。首先,以空间3-RPC并联机构为研究对象,建立机构的微运动学矢量连续映射Jacobian矩阵。然后,建立空间3-RPC柔顺并联机构的拓扑优化SIMP模型,运用优化准则算法(Optimization Criterion)对所建立的SIMP模型求解。最后,运用曲线拟合方法对拓扑后的构型轮廓进行拟合修正,采用Solid Works软件建立其拟合修正后的模型,进而通过Hyper Works有限元软件对机构进行静力学分析。仿真结果表明:与同构型的传统并联机构相比,拓扑优化后的空间柔顺并联机构具有相同的微动特性,因而验证了空间并联机构的拓扑优化设计方法的有效性。 展开更多
关键词 3-RPC柔顺并联机构 微运动矢量映射 拓扑优化设计 静力学仿真
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轻型自卸汽车举升机构结构分析与优化设计
17
作者 甘晓燕 《包装工程》 北大核心 2025年第S1期205-211,共7页
针对轻型自卸车举升机构三角板结构特性及其受力机理的系统研究,旨在深入揭示关键构件的运动学行为与动力学响应规律,为提升结构强度、实现轻量化设计提供理论依据,从而优化举升机构的整体性能与安全性。首先,基于实车结构,构建了举升... 针对轻型自卸车举升机构三角板结构特性及其受力机理的系统研究,旨在深入揭示关键构件的运动学行为与动力学响应规律,为提升结构强度、实现轻量化设计提供理论依据,从而优化举升机构的整体性能与安全性。首先,基于实车结构,构建了举升机构的三维运动学模型,通过时变均布载荷模拟举升过程中的动态载荷工况,精确获取三角板关键铰接点的载荷、速度及加速度时程;然后,采用有限元软件进行静态及动态有限元分析,深入解析应力场与变形分布特征;接着,通过设计实验方法(DOE)开展参数敏感性分析,精准确定关键设计变量,并结合响应面法开展多目标优化;最后,基于变密度拓扑优化算法优化材料分布,成功实现结构轻量化设计。研究结果表明:运动学分析揭示三角板关键铰接点载荷存在显著峰值,速度和加速度变化导致动力冲击载荷集中。有限元分析结果表明,最大应力集中于铰接孔边缘,且峰值应力远低于材料屈服强度,表明安全裕度充足。经过多目标优化后,最大应力降低34%,最大变形减少25%,结构刚度与安全性得到显著提升。此外,拓扑优化进一步优化了材料布局,实现了性能与质量的有效权衡。综上所述,基于运动学与有限元联合分析,结合参数敏感性与拓扑优化方法,对轻型自卸车举升机构三角板结构进行了系统优化设计,不仅有效提升了结构的力学性能与安全裕度,同时达成轻量化目标。 展开更多
关键词 轻型自卸车 举升机构 有限元法 参数优化设计 拓扑优化设计
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拓扑优化方法在复合材料设计中的研究进展 被引量:3
18
作者 刘红飞 严学华 程晓农 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第2期33-36,共4页
按照设计变量,叙述了连续变量和离散变量拓扑优化设计的一些常用算法,其中包括均匀化方法、变密度法、变厚度法、移动渐进算法、模拟退火法、遗传算法、相对差商法和Tabu搜索法,并对各种方法的优缺点进行了比较;对二维和三维复合材料的... 按照设计变量,叙述了连续变量和离散变量拓扑优化设计的一些常用算法,其中包括均匀化方法、变密度法、变厚度法、移动渐进算法、模拟退火法、遗传算法、相对差商法和Tabu搜索法,并对各种方法的优缺点进行了比较;对二维和三维复合材料的拓扑学优化设计研究现状和方法进行了阐述;提出了拓扑优化设计复合材料的未来研究方向。 展开更多
关键词 拓扑优化 设计 复合材料 连续变量 离散变量 拓扑优化设计 三维复合材料 材料设计 Tabu搜索法 遗传算法
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统一骨架与连续体的结构拓扑优化的ICM理论与方法 被引量:39
19
作者 隋允康 杨德庆 孙焕纯 《计算力学学报》 CAS CSCD 2000年第1期28-33,共6页
描述了基于ICM方法的结构拓扑优化新模型并应用于骨架与连续体结构。ICM方法意指独立、连续变量与映射变换及其反演。新模型将两种结构统一建立了具有重量目标函数和多工况下应力与位移约束下的优化问题。提出的过滤函数是ICM方法的关... 描述了基于ICM方法的结构拓扑优化新模型并应用于骨架与连续体结构。ICM方法意指独立、连续变量与映射变换及其反演。新模型将两种结构统一建立了具有重量目标函数和多工况下应力与位移约束下的优化问题。提出的过滤函数是ICM方法的关键技术之一。 展开更多
关键词 结构 拓扑优化设计 骨架结构 连续体 ICM理论
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互逆规划理论及其用于建立结构拓扑优化的合理模型 被引量:6
20
作者 隋允康 彭细荣 +1 位作者 叶红玲 铁军 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第6期1940-1948,共9页
在数学规划的领域里定义了互逆规划--各自目标函数与约束条件位置相互交换的一对规划.接着指出,尽管互逆规划与对偶规划在表面上似乎类似,但是二者存在5点不同:(1)是否为同一个问题的不同;(2)存在"对偶间隙"与否的不同;(3)设... 在数学规划的领域里定义了互逆规划--各自目标函数与约束条件位置相互交换的一对规划.接着指出,尽管互逆规划与对偶规划在表面上似乎类似,但是二者存在5点不同:(1)是否为同一个问题的不同;(2)存在"对偶间隙"与否的不同;(3)设计变量数目的不同;(4)是否单目标与多目标问题的不同;(5)问题合理与否的不同.然后,基于互逆规划的定义,用以审视结构拓扑优化模型,给出如下结果:(1)从这个角度洞悉,在结构优化中,确实有不合理的模型一直被沿用着;(2)找到了修正不合理模型使之合理化的方法;(3)对于给定体积下的柔顺度最小化(MCVC)模型,指出了其不合理的原因;(4)MCVC模型实际是互逆规划的m方,由此建立起其对应的s方,即给出了多个柔顺度约束的体积最小化(MVCC)模型;(5)给出了MVCC模型中的结构柔顺度约束的物理解释和算法,论证了ICM(independent continuous and mapping)方法以往关于全局化应力约束的概念和方法;(6)数值算例表明了MCVC与MVCC模型作为互逆规划的差异,且印证了MVCC模型的合理性.MCVC模型在不同体积约束及多工况下不同的权系数时,得到最优拓扑不同;但MVCC模型在多工况柔顺度约束下可得到唯一的最优拓扑. 展开更多
关键词 结构拓扑优化设计 互逆规划 MCVC模型 MVCC模型 ICM方法
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