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节点拓扑变量非耦合映射的ICM方法
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作者 彭细荣 隋允康 郑勇刚 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期2468-2481,共14页
文章提出了节点拓扑变量一种非耦合映射的ICM方法,对于结构拓扑优化问题予以建模和求解:首先将基结构划分为由较小单元组成的网格,取节点独立、连续的拓扑变量,建立了一种双线性形函数插值的变量非耦合映射,替代了单元独立连续拓扑变量... 文章提出了节点拓扑变量一种非耦合映射的ICM方法,对于结构拓扑优化问题予以建模和求解:首先将基结构划分为由较小单元组成的网格,取节点独立、连续的拓扑变量,建立了一种双线性形函数插值的变量非耦合映射,替代了单元独立连续拓扑变量,使单元的“有”或“无”连续化近似,实现了节点拓扑变量过滤识别与物理量的单元内插值,推导建立了节点拓扑设计变量的优化模型,采用基于变量可分离的二阶对偶规划算法求解,并且改进了最优拓扑构型的圆整技术.接着以常见的位移约束下结构重量(或体积)极小拓扑优化问题为例,演示了上述建模及求解过程.最后分别给出了单载荷工况和多载荷工况下的位移约束拓扑优化的算例,数值计算结果验证了本方法的有效性.研究有如下优点:克服了以往基于单元拓扑变量研究的缺陷,即最优结构边界为锯齿形,得到的最优结构的拓扑边界光滑清晰;给出了节点拓扑变量和单元拓扑函数场定义,提炼出构造该场必须遵循的5点准则,克服了节点拓扑ICM方法有关研究中存在的不足;得到节点设计变量不再是耦合关系,可以方便地求出结构物理量的二阶导数,从而利用变量可分离对偶优化算法进行高效的寻优;研究成果不仅丰富了ICM方法的内涵,推动了其发展,而且对变密度的节点拓扑方法也有参考的裨益. 展开更多
关键词 结构拓扑优化 icm方法 变量非耦合 节点拓扑变量
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ICM Method Combined with Meshfree Approximation for Continuum Structure
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作者 龙凯 左正兴 +1 位作者 肖涛 Rehan H.Zuberi 《Journal of Beijing Institute of Technology》 EI CAS 2010年第3期279-285,共7页
The independent continuous mapping(ICM) method is integrated into element free Galerkin method and a new implementation of topology optimization for continuum structure is presented.To facilitate the enforcement of ... The independent continuous mapping(ICM) method is integrated into element free Galerkin method and a new implementation of topology optimization for continuum structure is presented.To facilitate the enforcement of the essential boundary condition and derivative of various sensitivities,a singular weight function in element free Galerkin method is introduced.Material point variable is defined to illustrate the condition of material point and its vicinity instead of element or node.The topological variables field is constructed by moving least square approximation which inherits the continuity and smoothness of the weight function.Due to reciprocal relationships between the topological variables and design variables,various structural responses sensitivities are derived according to the method for calculating the partial derivatives of compound functions.Numerical examples indicate that checkerboard pattern and mesh-dependence phenomena are overcome without additional restriction methods. 展开更多
关键词 topology optimization independent continuous mapping method continuum structure meshfree method moving least square approximation
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连续体结构拓扑优化应力约束凝聚化的ICM方法 被引量:23
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作者 隋允康 叶红玲 +1 位作者 彭细荣 张学胜 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2007年第4期554-563,共10页
为克服应力约束下拓扑优化问题约束数目多、应力敏度计算量大的困难,提出了应力约束化凝聚化的ICM方法.在利用Mises强度理论将应力约束转换成应变能约束后,提出了应力约束凝聚化的两条途径:其一为应力全局化的方法,其二为应力约束集成... 为克服应力约束下拓扑优化问题约束数目多、应力敏度计算量大的困难,提出了应力约束化凝聚化的ICM方法.在利用Mises强度理论将应力约束转换成应变能约束后,提出了应力约束凝聚化的两条途径:其一为应力全局化的方法,其二为应力约束集成化的方法.由此建立了多工况下以重量为目标、以凝聚化应变能为约束的连续体结构优化模型,并利用对偶理论对优化模型进行了求解.4个数值算例表明:该方法具有较高的计算效率,得到的拓扑结构比较合理,不仅适用于二维连续体结构,也适用于三维连续体结构. 展开更多
关键词 连续体 拓扑优化 icm(independent continuous mapping)方法 应力约束凝聚化 多工况
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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
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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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应力约束处理为应变能集成的连续体结构拓扑优化 被引量:16
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作者 隋允康 张学胜 龙连春 《计算力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第5期602-608,共7页
为克服应力约束下拓扑优化问题约束多、应力敏度计算量大的困难,本文提出了将应力约束处理为应变能集成的结构拓扑优化ICM方法。文中用几个典型算例对该方法进行了检验,结果表明:本方法优化效率较高,而且得到的结构最优拓扑较为合理。
关键词 拓扑优化 icm(independent continuous mapping)方法 K-S函数
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结构拓扑优化局部性能约束下轻量化问题的互逆规划解法 被引量:6
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作者 隋允康 彭细荣 +1 位作者 叶红玲 李宗翰 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期479-486,共8页
瞄准应力和疲劳两类局部性能约束的结构拓扑优化问题,概括为分部、化整和集成3种解法和交融的3种解法。类比应力约束推导了疲劳寿命情况,一为满疲劳公式,二为疲劳寿命约束全局化的结构寿命概念和相应解法。在倒寿命概念下,实现了疲劳寿... 瞄准应力和疲劳两类局部性能约束的结构拓扑优化问题,概括为分部、化整和集成3种解法和交融的3种解法。类比应力约束推导了疲劳寿命情况,一为满疲劳公式,二为疲劳寿命约束全局化的结构寿命概念和相应解法。在倒寿命概念下,实现了疲劳寿命约束与应力约束的规格统一。补充和完整了已有的局部性能约束解法,属于单目标模型,有分部、化整、集成三种。基于互逆规划理论的定理2,提出了交融优化解法,是单目标与多目标模型的交替迭代,有分部-集成、化整-集成和集成-集成三种。上述6种解法皆基于ICM方法进行建模。算例表明,新提出的交融优化方法提高了求解效率。 展开更多
关键词 局部性能约束 交融解法 互逆规划 分部解法 化整解法 集成解法 结构拓扑优化 icm方法
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多工况应力和位移约束下连续体结构拓扑优化 被引量:83
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作者 隋允康 杨德庆 王备 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2000年第2期171-179,共9页
将文[1]所提出的对拓扑变量的独立连续映射(ICM)的拓扑优化方法应用于连续体结构,从而建立了统一的以重量为目标,考虑应力和位移约束的连续体结构拓扑优化模型。通过对位移一应力拓扑解和各工况下应力拓扑解的综合协调,进而... 将文[1]所提出的对拓扑变量的独立连续映射(ICM)的拓扑优化方法应用于连续体结构,从而建立了统一的以重量为目标,考虑应力和位移约束的连续体结构拓扑优化模型。通过对位移一应力拓扑解和各工况下应力拓扑解的综合协调,进而对于协调拓扑解按照阈值完成从离散到连续的反演,并且采用分层与加权策略克服了“荷载病态”困难.给出的经典的二维平面问题和三维连续体结构拓扑优化算例表明,这种统一的模型由骨架结构发展到连续体结构的优化也是成功的. 展开更多
关键词 连续体 结构拓扑优化 多工况 应力约束 位移约束
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基于多相材料的稳态热传导结构轻量化设计 被引量:9
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作者 龙凯 王选 韩丹 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2017年第2期359-366,共8页
在多相材料的结构拓扑优化问题中,通常给定各相材料体积约束或材料总重量约束作为材料的控制用量.在结构轻量化设计的实际工程背景下,以结构总重量最小化为目标的优化模型具有明确的工程意义.针对含多相材料的稳态传热结构拓扑优化问题... 在多相材料的结构拓扑优化问题中,通常给定各相材料体积约束或材料总重量约束作为材料的控制用量.在结构轻量化设计的实际工程背景下,以结构总重量最小化为目标的优化模型具有明确的工程意义.针对含多相材料的稳态传热结构拓扑优化问题,提出了以结构总重量最小化为目标和给定热柔顺度为约束的多工况连续体结构拓扑优化建模方法.遵循独立连续映射建模方式,采用两类独立拓扑变量分别表征单元热传导矩阵和单元重量状态.推导了热柔顺度和总重量对设计变量的敏度,基于一阶和二阶泰勒展开得到各自的近似表达式.通过求解偏微分方程,实现了约束函数一次项过滤,消除了棋盘格现象和网格依赖性问题,并保证了约束方程在过滤后严格成立.建立的近似优化模型具有二次函数形式的目标函数和一次函数形式的约束函数.基于对偶序列二次规划方法对优化模型进行求解直至收敛.通过四个三维结构数值算例分析对比了热柔顺度约束限值、不同材料混合及多工况、多约束条件对优化结果的影响.数值算例结果表明,本文提出的优化方法在基于多相材料的多工况稳态热传导结构轻量化设计中具有可行性和有效性. 展开更多
关键词 拓扑优化 多相材料 稳态热传导 独立连续映射法 序列二次规划
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一种变频率约束限的结构拓扑优化方法 被引量:4
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作者 邢晓娟 荣见华 邓果 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2008年第10期56-60,共5页
针对仅频率约束和重量最小的结构拓扑优化问题,基于ICM(独立、连续、映射)方法和渐进结构优化方法的思路,提出了一种变频率约束限的结构拓扑优化方法。在优化迭代循环的每一轮子循环迭代求解开始时,为了控制拓扑设计变量的变化量,依据... 针对仅频率约束和重量最小的结构拓扑优化问题,基于ICM(独立、连续、映射)方法和渐进结构优化方法的思路,提出了一种变频率约束限的结构拓扑优化方法。在优化迭代循环的每一轮子循环迭代求解开始时,为了控制拓扑设计变量的变化量,依据结构频率和其约束限,形成和引进了新的频率约束限。另外,建立了单元删除阈值和几轮迭代循环的单元删除策略。为了确保优化迭代中结构非奇异和方法具有增添单元的功能,在结构孔洞和边界周围引入了一层人工材料单元。结合拉格朗日乘子法,形成了一种新的连续体结构的拓扑优化方法。给出的算例表明该方法没有目标函数的振荡现象,且验证了该方法的正确性和有效性。 展开更多
关键词 拓扑优化 频率约束 连续体结构 icm方法 渐进结构优化
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连续体结构拓扑优化的节点独立连续映射法 被引量:4
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作者 龙凯 左正兴 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2009年第2期212-217,共6页
提出基于节点拓扑变量的独立连续映射连续体结构拓扑优化方法,将常规ICM中基于单元拓扑变量描述改进为基于节点拓扑变量描述,通过单元形函数插值保证了拓扑变量场的连续性。引入拓扑变量和设计变量倒数关系,根据复合函数链式求导法则,... 提出基于节点拓扑变量的独立连续映射连续体结构拓扑优化方法,将常规ICM中基于单元拓扑变量描述改进为基于节点拓扑变量描述,通过单元形函数插值保证了拓扑变量场的连续性。引入拓扑变量和设计变量倒数关系,根据复合函数链式求导法则,推导了各类结构响应量的敏度分析公式。以位移约束问题为例,遵循ICM法建模方式建立了连续体结构拓扑优化模型。基于数字图像处理过滤技术,提出两种改进的过滤方式以消除数值不稳定性现象。最后通过二维拓扑优化数值算例证明方法和模型的可行性和有效性。 展开更多
关键词 节点独立连续变量 节点密度 拓扑优化 连续体结构 独立连续映射法 过滤法
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面向应力约束的独立连续映射方法 被引量:4
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作者 龙凯 王选 吉亮 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第2期620-629,共10页
大多数已有的拓扑优化研究为系统刚度最大化设计,尤其以体积比约束下的静态柔顺度最小化问题为典型.从工程角度出发,结构强度设计至关重要.以往的应力研究表明,应力约束拓扑优化存在着奇异性、约束数目庞大、高度非线性特性等诸多数值困... 大多数已有的拓扑优化研究为系统刚度最大化设计,尤其以体积比约束下的静态柔顺度最小化问题为典型.从工程角度出发,结构强度设计至关重要.以往的应力研究表明,应力约束拓扑优化存在着奇异性、约束数目庞大、高度非线性特性等诸多数值困难.为了实现应力约束下的拓扑优化设计,采用归一化p范数应力指标以减少单元应力约束数目.遵循独立连续映射建模方式,引入密度变量的倒变量函数作为设计变量.推导了应力约束函数和体积目标函数对设计变量的敏度,并基于一阶和二阶泰勒近似得到各自的显式表达式.通过构造的系列二次规划子问题,原拓扑优化问题采用序列二次规划算法高效求解.二维数值算例考察了结构刚度和强度设计结果的异同,以及不同应力约束上限值对应力约束拓扑优化结果的影响.通过提出方法与传统变密度法结果的比较,说明提出的独立连续映射方法在应力约束下具有可行性和有效性.优化结果也表明了考虑应力约束的连续体拓扑优化具有必要性. 展开更多
关键词 拓扑优化 应力约束 独立连续映射法 序列二次规划 连续体结构
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连续体结构拓扑优化方法评述 被引量:88
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作者 夏天翔 姚卫星 《航空工程进展》 2011年第1期1-11,55,共12页
连续体结构拓扑优化在优化中能产生新的构型,对实现自动化智能结构设计具有重要意义。目前,连续体结构拓扑优化方法主要有:均匀化方法、变厚度法、变密度法、渐进结构优化方法、水平集法、独立连续映射方法。本文首先系统回顾了以上方... 连续体结构拓扑优化在优化中能产生新的构型,对实现自动化智能结构设计具有重要意义。目前,连续体结构拓扑优化方法主要有:均匀化方法、变厚度法、变密度法、渐进结构优化方法、水平集法、独立连续映射方法。本文首先系统回顾了以上方法的发展历程,介绍了它们的研究现状。其次,通过对比以上拓扑优化方法对若干典型算例的优化结果,表明以上方法都有较好的减重效果。最后,对以上方法进行了总结,列出了它们的优缺点和发展方向。 展开更多
关键词 拓扑优化 均匀化方法 变厚度法 变密度法 渐进结构优化方法 水平集法 独立连续映射方法
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