基于双向渐进结构优化算法的预制拼装箱梁剪力键设计研究

为研究单项和多项荷载组合作用下节段预制拼装箱梁接缝处剪力键受力状况,以郑州南四环全预制装配高架桥为背景,采用Abaqus软件和双向渐进结构优化(BESO)算法,建立典型箱梁节段分析模型,研究剪力键在单位轴力、剪力、扭矩、弯矩和不同荷载组合作用下的布置规律。结果表明:轴力作用时剪力键应布置于顶板;剪力作用时剪力键应布置于腹板和底板;扭矩作用时剪力键应布置在顶板、腹板交接处和腹板外侧;横桥向弯矩作用时剪力键应布置于顶板、腹板下侧和底板;竖向弯矩作用时,剪力键应布置于顶板翼缘。轴剪组合作用下,当剪力占比小于50%时,轴力对剪力键布置起控制作用;当剪力占比达95.24%时,剪力对剪力键布置起控制作用。弯剪组合作用下,当剪力占比超过4.76%时,剪力对剪力键布置起控制作用;当剪力占比小于0.50%时,横桥向弯矩对剪力键布置起控制作用。扭剪组合作用下,当剪力占比超过0.10%时,剪力对剪力键布置起控制作用。预制拼装箱梁剪力键布置受荷载类型及荷载组合影响显著,应考虑不同位置剪力键的实际受力状况进行设计。

基于改进双向渐进结构法的岸桥门框结构拓扑优化

针对拓扑优化过程中存在的数值不稳定问题、优化后的结构呈现病态不利于转化为工程上可以实施的问题,文中采用基于统一排序的单元增删方法,提出了一种在双渐进结构法中改进增删单元最大增加率和单元最大删除率的策略,通过限制拓扑优化过程中相邻的两个迭代步结构相差过大,确保迭代过程中变化平稳。对岸桥的门框结构进行验证,结合岸桥的特点,进行合理的模型简化,建立了岸桥的有限元模型。选择小车在大梁上的4个典型位置作为计算工况,对岸桥进行不同工况下拓扑优化,并对优化结果重构,为岸桥的设计提供了启示。

基于双向渐进结构拓扑优化算法的创新设计研究

目的在数字化设计的背景下,探索基于结构性能化的算法找形方法,运用双向渐进结构拓扑优化算法(Bi-Directional Evolutionary Structural Optimization,BESO)展开创新设计实践研究。方法在理解双向渐进结构拓扑优化算法的基本内涵、相关理论、历史发展和现状应用的基础上,分析其算法生成的优势及可行性,并以算法的组织模式与生形原理为前提,对其进行几何划分、约束条件、优化技术、结构模拟、材料设定、迭代生形等内容协同一体的生成策略研究,提供了多元选择的设计机会。结果得到了运用双向渐进结构拓扑优化算法进行的基于初始形态设计、拓扑优化设计和后处理与制造三步骤创新设计实践结果。结论此设计实践方案验证了该算法生成方法的设计应用可行性,同时也为多领域应用该算法提供了新思路和新方向。

渐进结构优化法(ESO)和双向渐进结构优化法(BESO)的近期发展

本文介绍渐进结构优化法和双向渐进结构优化法的近期发展和主要研究成果.从理论层面对该方法的合理性、连续体拓扑优化在多种工程问题中的应用,以及计算机软件的具体实现,进行了阐述及算例演示.这些结果充分展示了渐进结构优化法解决实际工程优化设计问题的能力,以及其通过现有成熟建模界面广泛应用于日常建筑和机械结构设计的可行性.

基于改进的双向渐进结构优化法的应力约束拓扑优化

工程结构设计时经常需要限制最大名义应力,以避免发生断裂或疲劳破坏,一个有效的策略是采用拓扑优化方法.常规的双向渐进结构优化法(bi-evolutionary structural optimization,BESO)不能有效求解应力约束拓扑优化问题,为此本文提出一种改进的双向渐进结构优化方法,处理体积和应力约束下的最小柔顺性问题.引入基于K-S函数的全局应力度量,以减小大量局部应力约束引起的计算代价.采用拉格朗日乘子法将应力约束函数引入到目标函数,然后由二分法确定合适的拉格朗日乘子的值使得应力约束得到满足.而且,详细推导了基于BESO方法的应力约束拓扑优化模型及其灵敏度列式,最后通过三个典型拓扑优化算例验证改进方法的有效性.为展示考虑应力约束的优点,将应力约束设计与传统的基于刚度的设计进行了比较.结果表明,改进的BESO方法优化迭代过程稳健,获得了边界灰度单元很少的清晰的拓扑构型,并实现了有效降低应力集中效应的设计.

基于BESO算法的大型海洋垂直轴风力机支撑结构优化

大型海洋垂直轴风力机的研究对发展海洋风能具有重要意义,研究大型垂直轴风力机的合理支撑结构形式对风力发电结构安全至关重要.基于变删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,对大型海洋垂直轴风力机进行支撑结构优化,并通过风力机的动力响应特性分析,验证结构优化方法的可靠性.结果表明:反比例型变删除率的BESO算法能有效改善优化迭代速率,适用于垂直轴风力机的支撑结构优化设计;相比于初始结构,拓扑出的新结构模型在风荷载作用下的风致动力响应显著降低.研究成果可用于垂直轴风力机支撑结构设计优化.

利用双向渐进结构优化法对结构固有振型的优化

利用双向渐进结构优化法研究结构的固有振型优化问题 ,双向渐进结构优化法 (bi directionalevolutionarystruc turaloptimization ,简称BESO)是一种拓扑优化方法 ,它基于这样一个简单的优化程序 :从结构中一步步地删去对结构目标性能低效或无效的材料 ,同时增加对结构目标性能高效的材料 ,从而使材料布局趋于优化。文中分别采用近似重分析思路的方法和基于变分法推导的公式计算单元特征向量灵敏度 ,并简单阐述BESO法对结构固有振型 (特征向量 )进行拓扑优化的一般过程。数值算例表明 ,用该方法对结构固有振型的优化是行之有效的 。

基于双向渐进结构优化方法的连续体结构动刚度拓扑优化

以结构动柔顺度最小为目标,融合等效静载荷方法与双向渐进结构优化方法,提出了动载荷作用下连续体结构的动刚度拓扑优化方法。为了有效降低结构动力学拓扑优化问题的求解规模,通过等效静载荷方法将动态拓扑优化问题转变为静态拓扑优化问题,结合双向渐进结构优化方法实现结构的静力学拓扑优化。提出了一种设计域减缩方法降低连续体结构拓扑优化计算规模,构建了一种新颖的体积进化和优化收敛准则,显著提高了连续体结构的动刚度优化效率。数值算例结果表明,结构动柔顺度与约束体积均能渐进收敛于最优值,最优拓扑构形能够有效抑制动载荷作用下的结构振动,其优化算法具有一定的鲁棒性和适应性。提出的连续体结构动刚度拓扑优化方法拓展了基本渐进结构优化方法的应用范围,对于结构动力学优化设计具有重要的理论意义。

基于应力刚度约束的连续体双向渐进结构优化

为了使结构优化更好地模拟实际情况,在分析了有限元理论和材料力学关系的基础上,找出了约束之间的本质联系,提出了基于应力、刚度双重约束的渐进结构优化方法。同时,将单元生死技术引入结构优化中。根据有限元分析结果,在杀死低效能单元的同时,在高效单元周围增加单元,实现了结构的双向渐进优化。最后,数值算例表明该方法的有效性,改善了优化结果,提高了优化效率。

光滑双向渐进结构优化法拓扑优化连续体结构频率和动刚度

针对双向渐进结构优化(bi-directional evolutionary structural optimization, BESO)方法的单元过删除问题,提出了光滑双向渐进结构优化(smooth bi-directional evolutionary structural optimization, SBESO)方法,通过引入权重函数更新单元的质量与刚度矩阵,控制单元删除率以使低效单元逐渐从设计域中删除。以连续体结构固有频率最大化为目标,提出了一种基于SBESO的频率优化方法,对比分析了常函数、线性函数和正弦函数等不同权重函数对连续体结构优化的影响。将等效静载荷(equivalentstatic loads,ESL)方法与SBESO方法相融合,提出了动载荷作用下连续体结构的动刚度优化方法。数值算例表明,SBESO方法通过调节单元删除率和权重函数,控制低效单元在结构设计域中逐渐被删除,有效抑制了单元的过删除问题。采用线性和正弦权重函数,更有利于获得连续体结构的频率最优拓扑解。随单元删除率的减少,动刚度最优拓扑解的结构边界逐渐光滑,而且逼近于同一构形。由此,所提出的SBESO方法完善了BESO方法的优化准则,对于解决连续体结构动力学优化设计问题具有较为重要的理论意义。

粘弹阻尼抗振结构双向渐进法拓扑动力学优化

基于阻尼结构各层形变位移关系,推导了结构振动微分方程。构建了以阻尼比最大化为优化目标,阻尼材料用量为约束,阻尼单元状态为设计变量的拓扑优化数学模型。为寻找结构优化迭代方向,推导了模态阻尼比灵敏度。建立阻尼单元增删准则,利用独立网格滤波技术进行滤波处理,采用双向渐进优化算法对阻尼结构进行了拓扑优化。按常规渐进法优化后,1阶、3阶阻尼比增幅分别为54.51%、36.21%,而按双向渐进优化所得相应阶次的模态阻尼比增幅则分别达76.69%、58.36%,且可有效改善阻尼结构优化后的棋盘格现象。为验证双向渐进优化算法拓扑优化结果,对阻尼结构进行谐响应分析与仿真,结果表明:采用双向渐进法优化时,结构特定阶次响应幅值更低,减振效果更佳。

声子晶体能带结构仿真的CS-FEM方法及其在拓扑优化设计中的应用

针对声子晶体拓扑优化设计时能带结构和灵敏度计算效率低的缺陷,构造了一种Cell-based光滑有限元法模型(CS-FEM),并结合双向渐进结构优化法(BESO)实现了声子晶体的带隙最大化设计。基于四边形单元构造光滑子域,将梯度光滑技术与Bloch定理结合,构建了声子晶体能带结构计算的CS-FEM数值模型,并将其用于正问题的仿真模拟。在渐进优化准则下,通过BESO算法完成了声子晶体的优化设计。数值算例表明:CS-FEM能够适当软化离散系统的刚度,提供更加准确、高效的能带结构仿真结果;基于CS-FEM进行正问题的计算,在优化设计中得到了最优的拓扑构型,并有效地提高了优化效率,对于实现声子晶体的高效设计具有重要的参考价值。

双向固定网格渐进结构优化方法

近年来发展的渐进结构优化方法是一种有前途的结构拓扑和形状优化方法。本文在渐进结构优化方法的框架内建立了统一敏感度的概念,并基于固定网格有限元技术,发展了一种新的增加材料技术,提出了双向固定网格渐进结构优化方法。将该方法应用于复合材料壳结构开孔形状优化,以孔周等Tsai-Hill强度值作为优化目标,可以得到合理的最优解,证明了双向固定网格渐进结构优化方法的适用性。不同的初始点能得到几乎相同的最优解,展示了本文方法良好的全局最优性。

基于BESO算法的高桩承台式水平轴风力机支撑结构优化

研究大型水平轴风力机塔筒的合理支撑结构形式对风力发电结构系统安全至关重要.针对高桩承台式水平轴风力机,基于反比例型删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,拓扑优化风力机塔筒结构,根据计算流体动力学方法和桩土相互作用原理,建立考虑桩土作用的风力机结构风致动力响应数值模型,比较分析优化前后风力机结构动力响应特性,验证结构优化方法的可靠性.经拓扑优化得到新的高桩承台水平轴风力机支撑结构,相较于初始结构,优化后的支撑结构风致动力响应显著降低,成果可为高桩承台式水平轴风力机支撑结构设计优化提供技术参考.

基于双向进化遗传算法的管道钢结构支架优化设计

为进一步优化管道钢结构支架,提高管道支架的稳定性,基于渐进结构优化算法、双向渐进结构优化算法以及遗传算法提出了双向进化遗传算法,实现管道钢结构支架优化设计。以待优化的管道钢结构支架初始结构为出发点,以支架单元的应变能灵敏度分析为基础,利用遗传算法完成算法的双向进化。通过有限元分析软件ANSYS内的参数化编程语言APDL完成算法编程并模块化算法程序,为得到合理、经济的管道钢结构支架优化设计准则,对其展开拓扑优化设计,按照支架的优化结果与加工工艺提出管道钢结构支架的改进策略,减少支架质量的同时分析验证优化后的支架结构。验证结果表明,优化设计后的管道钢结构支架,其应力、变形量以及模态等均符合使用需求。

基于双向渐进优化法的结构生成设计方法研究

建筑与结构之间的关系是建筑设计中最基本、最核心的问题之一,而复杂的建筑空间形态需要与结构设计相互协同才能生成。计算机技术不断发展,对于建筑结构的辅助作用也不断增强。利用拓扑优化方法进行结构生成式设计是可行的,优化后不仅能够满足力学性能,还能有效降低自重,节省材料。文章探讨了建筑师如何运用计算机技术辅助结构生成,研究基于双向渐进优化法,围绕建模软件Rhino及其参数化插件Grasshopper作为可视化平台,进行离散体结构拓扑优化与生成实验。对拓扑优化核心算法、模型的前处理设计以及后处理优化三个方面内容展开讨论,提出一种可行的建筑结构生成式设计方法,为建筑学领域提供了新的参考与新的可能。

基于自适应有限元的双向渐进结构优化法

将自适应有限元分析方法和双向渐进结构优化法结合,提出一种改进的Delaunay网格剖分方法和综合考虑应力及网格密度两个因素的网格删除准则。编制了基于自适应有限元分析的双向渐进结构优化法流程图。通过典型算例分析,证明这种基于自适应有限元的双向渐进结构优化法可行、有效。

基于双向渐进结构优化法的装载机动臂拓扑优化

利用双向渐进结构优化法研究了装载机动臂结构的拓扑优化问题。利用有限元软件ANSYS的APDL语言进行二次开发,实现了多工况下基于应力水平的双向渐进结构优化法(BESO)。对装载机工作装置的动臂进行多工况下的结构双向渐进拓扑优化,得到了动臂的最佳拓扑结构。结果表明了该方法的实用性和有效性,且比ESO方法具有更高的效率。

带有区域性惩罚因子的双向渐进结构优化方法

针对传统的拓扑优化方法欠缺考虑增材制造工艺约束,如果优化模型存在大面积悬垂、封闭空腔等工艺几何特征将增加打印及后处理操作的复杂度的问题,提出带有区域性惩罚因子的双向渐进拓扑优化方法.首先考虑增材制造工艺特征约束,使得优化结果具有良好的可打印性;然后对模型进行网格划分,根据单元体所在的区域定义区域性惩罚因子,保证区域性惩罚因子由外表面向内核逐渐增大;最后结合有限元分析,以区域性惩罚因子对单元体的计算应力进行惩罚,决策单元体的保留与删减.通过数值实验,与传统的双向渐进结构拓扑优化算法对比的结果表明,该方法可以改变空腔形貌特征、减少垂悬面积、均衡模型应力分布,提升了拓扑优化模型的可打印效果.

基于改进遗传算法的双向渐进结构优化方法研究

本文提出了一种基于改进遗传算法的软删除双向渐进结构优化法(G-BESO),以解决传统双向渐进结构优化法(BESO)中参数(如进化率)设置不当而导致无法获得最优拓扑构型的问题。首先确定单元权重系数与单元密度的递推关系式,形成一种考虑单元密度历史信息的材料插值模型,从而增强恢复误删高效单元的能力。然后引入遗传算法中的交叉和变异操作,启发式地更新结构状态以提高全局寻优能力。最后将该方法编写成可用于实际工程结构优化设计的程序。算例表明,提出的方法能稳定得到最优拓扑形状且计算效率更高,可为工程结构的拓扑优化设计提供一定参考。