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改进的可移动变形组件拓扑优化方法
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作者 李鹏 程文涛 +2 位作者 杜艺博 丁瀛 占金青 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期879-885,共7页
针对经典可移动变形组件法的优化结果易受组件初始化影响的不足,设计了基于双循环机制的改进的MMC算法,内循环基于可移动变形组件法,实现快速寻优;外循环基于组件贡献率设计俄罗斯轮盘赌算法,然后选择、删除和替换部分组件,最终将重新... 针对经典可移动变形组件法的优化结果易受组件初始化影响的不足,设计了基于双循环机制的改进的MMC算法,内循环基于可移动变形组件法,实现快速寻优;外循环基于组件贡献率设计俄罗斯轮盘赌算法,然后选择、删除和替换部分组件,最终将重新构造的结构引入内循环再次寻优。MBB梁和短悬臂梁的优化算例表明,相比于经典MMC算法,改进的MMC方法虽然运算成本明显增加,却较好地克服了组件初始化对寻优结果的影响,并获得了更佳的优化效果。 展开更多
关键词 拓扑优化 移动变形组件 有限元分析 灵敏度分析 俄罗斯轮盘赌
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基于移动可变形组件法(MMC)的运载火箭传力机架结构的轻量化设计 被引量:11
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作者 李佳霖 赵剑 +2 位作者 孙直 郭杏林 郭旭 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期244-251,共8页
传力机架是运载火箭箭体与发动机连接的关键部件,负责将发动机推力载荷有效的传递至箭体,其结构的轻量化设计不仅可以保障火箭发动机的推重比、提高火箭的稳定性,还可以为我国未来可重复使用式火箭的研究提供一定的参考.本文在移动可变... 传力机架是运载火箭箭体与发动机连接的关键部件,负责将发动机推力载荷有效的传递至箭体,其结构的轻量化设计不仅可以保障火箭发动机的推重比、提高火箭的稳定性,还可以为我国未来可重复使用式火箭的研究提供一定的参考.本文在移动可变形组件(moving morphable component, MMC)的框架下,提出了一种解决传力机架结构轻量化设计的方法.在该方法中,机架结构的拓扑通过一组具有显式几何信息的组件来表示,这使最终优化布局可以被少量的设计变量所描述.通过分析传力机架结构设计的特点和要求,以刚度最大化为目标,体积分数(保证结构重量)为约束,建立了基于MMC显式拓扑优化方法下的问题列式.同时搭建了可对工程中传力机架结构轻量化设计的平台,并进行相应结构的拓扑优化.在两种载荷工况(即零位状态和摇摆状态)作用下,最终优化结果在中间推力载荷区域与锥段相连位置之间,所形成的较大翼板结构增强了传力机架的抗弯能力.通过与传统机架结构的对比,证明了本文所提出方法在传力机架结构轻量化设计方面的有效性. 展开更多
关键词 拓扑优化 移动可变形组件 轻量化设计 运载火箭 传力机架
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可移动变形组件法中组件数对拓扑结构优化的影响 被引量:3
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作者 李鹏 杜艺博 +1 位作者 彭嘉潮 刘根柱 《制造技术与机床》 北大核心 2020年第8期84-88,共5页
可移动变形组件法因具有设计变量少、可显式表达结构几何参数等优点,现已广泛被应用于工程结构的拓扑优化设计中。针对可移动变形组件法中组件数目对拓扑结构优化的影响,基于可移动变形组件框架,利用有限元分析和灵敏度分析求解设计域... 可移动变形组件法因具有设计变量少、可显式表达结构几何参数等优点,现已广泛被应用于工程结构的拓扑优化设计中。针对可移动变形组件法中组件数目对拓扑结构优化的影响,基于可移动变形组件框架,利用有限元分析和灵敏度分析求解设计域的结构场,以移动渐近线法更新设计变量,以体积为约束函数,以结构柔度最小为目标函数,研究了不同组件数目对特定受力条件下短板算例的拓扑结构优化的影响。结果表明随着组件数目从6个增加至20个时,目标函数值相应减小,拓扑结构轮廓更为光滑、细节更加突出;然而其拓扑优化结构的复杂程度相应增加、优化耗时增加。研究结果为实际拓扑优化中合理选择组件数目提供了有益的借鉴。 展开更多
关键词 移动变形组件 有限元分析 灵敏度分析 拓扑优化
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基于移动可变形组件法的格栅平板隔振结构自振频率拓扑优化
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作者 周锦航 商超 +2 位作者 王强勇 代成名 李刚 《振动与冲击》 2025年第11期149-156,171,共9页
隔振结构在工程结构中主要用于设备与主体结构的连接,其动力学特性对隔振效果有着显著影响。通过移动可变形组件方法,针对典型的格栅平板隔振结构,解决其基频拓扑优化问题。首先,使用梁单元对格栅平板隔振结构进行模型简化;其次,基于简... 隔振结构在工程结构中主要用于设备与主体结构的连接,其动力学特性对隔振效果有着显著影响。通过移动可变形组件方法,针对典型的格栅平板隔振结构,解决其基频拓扑优化问题。首先,使用梁单元对格栅平板隔振结构进行模型简化;其次,基于简化后的优化对象的梁单元结构进行移动可变形组件框架的改进,加入基于改进框架的冗余梁单元自适应修剪,提升计算效率;最后,计算不同工况下设备布局以及以单频和多频作为优化目标的拓扑优化结果并进行比对。该方法对隔振结构设计中如何提升结构基频并兼顾结构轻量化,避免在工作频率范围上共振现象的产生有实际意义。 展开更多
关键词 格栅平板隔振结构 梁单元 移动可变形组件 基频特性
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基于SIMP-MMC结构尺寸精确控制拓扑优化方法 被引量:6
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作者 张军峰 廖靖宇 刘恩海 《机械强度》 CAS CSCD 北大核心 2022年第1期102-110,共9页
随着结构拓扑优化方法的发展,为提高其优化结果的工程可制造性,部分学者提出了整合现有拓扑优化方法的策略。具体地,探讨了基于变密度法与可移动变形组件法相融合的拓扑优化方法。该方法首先利用变密度法中的幂函数特性,以快速获得结构... 随着结构拓扑优化方法的发展,为提高其优化结果的工程可制造性,部分学者提出了整合现有拓扑优化方法的策略。具体地,探讨了基于变密度法与可移动变形组件法相融合的拓扑优化方法。该方法首先利用变密度法中的幂函数特性,以快速获得结构主传力路径;其次针对变密度法中的灰度单元,提出采用Otsu阈值处理算法以最大化反映二值拓扑结构信息;在此基础上,利用形态学思想构建了以结构骨架拐点为分界的组件,并过渡到可移动变形组件法完成优化,最终获得精确结构尺寸。分别通过对二维与三维数值算例的最小柔度拓扑优化问题计算,得到结构边界光滑且精确尺寸的优化结果,验证了该方法的有效性。 展开更多
关键词 Otsu阈值处理方 形态学思想 变密度 移动变形组件 最小柔度
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考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法 被引量:3
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作者 廉睿超 敬石开 +2 位作者 李营 肖登宝 陈阳 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期3524-3537,共14页
拓扑优化作为一种先进设计方法,已被成功用于多个学科领域优化问题求解,但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍,如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等.在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上... 拓扑优化作为一种先进设计方法,已被成功用于多个学科领域优化问题求解,但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍,如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等.在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段.在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中,通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑,包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性.本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法.所提方法继承了二者优势,避免了各自缺点.在该方法中,首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据,提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法.其次,通过引入组件的3个长度变量,建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型.最后,以组件厚度变量为约束,构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型.采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性.数值结果表明,所提方法在无需额外约束的条件下,仅通过组件厚度变量下限设置,可实现整体结构的最小尺寸精确控制,并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界. 展开更多
关键词 固体各向同性材料惩罚 移动变形组件 混合拓扑优化 拓扑描述函数 最小尺寸控制
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考虑增材制造悬垂约束的传力机架轻量化设计方法 被引量:1
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作者 叶书睿 郝文宇 +1 位作者 孙直 郭旭 《火箭推进》 CAS 2023年第4期26-35,共10页
运载火箭发动机传力机架是将发动机的推力载荷传递至箭体的关键连接部件。对质量占比较大的发动机传力机架结构进行轻量化优化,可以有效地提升火箭发动机的推重比,实现结构的高效承载及使用增材制造技术稳定生产。基于移动可变形组件法(... 运载火箭发动机传力机架是将发动机的推力载荷传递至箭体的关键连接部件。对质量占比较大的发动机传力机架结构进行轻量化优化,可以有效地提升火箭发动机的推重比,实现结构的高效承载及使用增材制造技术稳定生产。基于移动可变形组件法(moving morphable component,MMC)框架,考虑增材制造过程中的悬垂约束,提出了一种运载火箭发动机传力机架结构的轻量化设计方法。此方法能够考虑刚度、质量、设计空间、制造约束等设计要求,在限制结构质量(体积)的约束条件下,实现结构刚度的最大化。推导了相关优化问题列式,给出了优化流程,并进行了若干典型算例。通过对优化结果的重分析可知:优化结果满足运载火箭发动机传力机架的刚度要求及传力机架材料的最大应力要求,在质量上相比传统的机架结构有显著优势,优化结果中不存在大悬挑结构且满足增材制造特有的悬垂约束,验证了此方法的有效性。 展开更多
关键词 拓扑优化 增材制造 轻量化 机架 移动可变形组件
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数据驱动下的声学器件音质优化 被引量:1
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作者 许磊 张维声 +1 位作者 朱宝 郭旭 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2024年第3期253-260,共8页
音质是声学器件声音表现的重要衡量标准.但音质的优化过程需要对大量频点的响应进行协同优化,造成优化问题的可求解性较差.该文提出了一种数据驱动下的声学通道拓扑优化设计方法,可实现声-结构系统中的声频响快速预测,进而借助显式拓扑... 音质是声学器件声音表现的重要衡量标准.但音质的优化过程需要对大量频点的响应进行协同优化,造成优化问题的可求解性较差.该文提出了一种数据驱动下的声学通道拓扑优化设计方法,可实现声-结构系统中的声频响快速预测,进而借助显式拓扑优化技术实现声学器件的音质优化.通过人工神经网络对结构几何参数、激励频率与声频响之间的非线性关系进行建模,以可移动变形组件(moving morphable components,MMC)法中的结构几何参数、激励频率为输入变量,以声压频响作为输出变量,通过训练多层前馈网络建立了声频响的人工神经网络模型.所得结果可以有效地将目标频带内的声压级范围差从44.89 dB缩小至6.49 dB,相较于传统优化方法,求解速度约为之前的16.3倍,表明了当前方法对音质优化问题的快速求解具有明显效果. 展开更多
关键词 拓扑优化 声-结构系统 人工神经网络 移动变形组件 音质
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基于压电驱动的多材料主动结构显式拓扑优化设计
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作者 延晓晔 赖旗 +1 位作者 孟尧 张维声 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2024年第11期1372-1380,共9页
结构的轻量化设计在工业领域中一直受到高度重视.与仅通过材料本身的刚度抵抗外界载荷作用的被动结构不同,主动结构通过主动改变结构的内力驱动变形从而实现结构轻量化.该文提出了一种基于可移动变形组件(moving morphable components,M... 结构的轻量化设计在工业领域中一直受到高度重视.与仅通过材料本身的刚度抵抗外界载荷作用的被动结构不同,主动结构通过主动改变结构的内力驱动变形从而实现结构轻量化.该文提出了一种基于可移动变形组件(moving morphable components,MMC)法的压电多材料主动结构的显式拓扑优化方法.该方法在满足位移约束的前提下,通过同时优化结构拓扑以及压电驱动器的分布实现了主动结构的总质量最小化.为了优化极化特征以实现复杂载荷环境下的自适应压电驱动作用,引入3组独立的MMC组件分别描述弹性材料和压电材料的分布及其相应的极化特征,以得到具有显式几何描述的复合材料主动结构.数值算例表明相比于被动结构,基于压电驱动作用的多材料主动结构能更有效地实现结构轻量化设计. 展开更多
关键词 移动可变形组件 拓扑优化 多材料 压电效应 主动结构
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考虑平稳随机响应的显式结构拓扑优化 被引量:3
10
作者 李佳霖 张有为 +2 位作者 张维声 郭杏林 郭旭 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第4期505-513,共9页
随机载荷是工程结构在服役中经常承受的一种复杂的载荷形式,通常采用统计学特性对其进行描述。对随机载荷作用下的结构进行拓扑优化设计是一项极具挑战性的工作,其主要难点在于,(1)传统隐式拓扑优化方法的设计变量数巨大,且用于结构动... 随机载荷是工程结构在服役中经常承受的一种复杂的载荷形式,通常采用统计学特性对其进行描述。对随机载荷作用下的结构进行拓扑优化设计是一项极具挑战性的工作,其主要难点在于,(1)传统隐式拓扑优化方法的设计变量数巨大,且用于结构动态性能拓扑优化问题时存在虚假模态等数值不稳定问题;(2)对结构的随机动力响应统计量及其灵敏度进行计算需要极大的计算量;(3)隐式拓扑优化框架下的分析模型与优化模型强耦合,导致结构有限元模型具有极高的自由度,进一步加剧了上述困难。本文基于移动可变形组件框架和虚拟激励法理论,提出了一种平稳随机载荷作用下结构的显式拓扑优化设计方法。通过将一系列可移动和可变形的结构组件作为优化的基础单元,实现了使用少量设计变量描述结构拓扑构型的目的。采用虚拟激励法、自由度删除技术和模态位移法有效降低了对结构进行随机振动分析和灵敏度分析的计算量。在此基础上,以结构柔顺度的标准差为目标函数、以设计域内实体材料的体积为约束条件,实现了限带白噪声作用下结构的拓扑优化设计,并通过数值算例验证了本文方法的有效性。 展开更多
关键词 拓扑优化 移动可变形组件(mmc) 自由度删除技术 虚拟激励 平稳随机响应
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基于数据驱动的舵面结构优化设计 被引量:4
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作者 时光辉 贾宜播 +4 位作者 郝文宇 武文华 李强 林晔 杜宗亮 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期2577-2587,共11页
在航空航天领域,基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加;而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中,对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义.对于给定的载荷,薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得... 在航空航天领域,基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加;而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中,对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义.对于给定的载荷,薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得到显著增强,这与空气舵结构的设计需求高度一致.然而,传统隐式拓扑优化框架下的加筋设计存在设计变量数目多、计算效率较低、不易保证筋条几何特征以及不便直接将优化设计结果导入CAD系统等问题.本研究采用了全新的显式拓扑优化方法-移动可变形组件法(MMC),并结合数据驱动对具有异形封闭几何特征的空气舵进行高效加筋设计.该方法直接对筋条骨架的几何信息进行优化,具有设计变量少、计算效率高、优化结果可与CAD软件无缝衔接等优势,从而解决了采用隐式拓扑优化方法及后续模型重构、参数优化等冗余步骤所面临的优化周期长、对设计人员经验依赖性强等问题.进一步,建立了加筋布局与关键力学性质映射的人工神经网络模型;将其作为代理模型进行优化可极为高效地得到高质量的初始设计,从而显著提升了舵面结构优化设计的效率.文章设计框架融合了结构拓扑优化算法与人工神经网络技术,可以推广应用于其他高端装备的智能设计. 展开更多
关键词 拓扑优化 移动可变形组件 数据驱动 舵面结构 优化设计
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