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。

基于多目标渐进优化法的深孔机床床身重构设计

为了有效提高深孔机床床身静动态性能及实现其轻量化设计,将多目标拓扑优化技术引入到床身的结构设计中。首先以渐进结构优化法(ESO算法)为理论基础,利用ANSYS软件提出了以整体刚度和基频共同最大化为综合目标的多目标渐进结构优化算法;其次运用该算法对深孔钻床床身进行拓扑优化,获得了最佳的拓扑图样;最后,依据优化后的拓扑图样对其进行了重构设计。分析结果显示:该算法能够较好地完成优化目的,即优化后床身的静、动态性能得到了有效的提高,同时整体重量明显地下降,达到了轻量化设计的要求,为企业提供了更为合理的床身结构设计方案。

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。

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.

渐进结构优化法在桥梁找型中的应用

介绍了结构拓扑优化方法的基本理论,详细阐述了双向渐进结构优化法的原理和优化过程,并根据双向渐进结构优化法编制了基于ANSYS平台的结构拓扑优化程序.模拟现有桥梁结构和构件的边界条件,应用该程序求解二维平面拓扑优化问题,分别完成了不同矢跨比拱桥、悬索桥主缆以及斜拉桥桥塔的拓扑优化.拓扑优化过程中结构可经历多种拓扑形态,优化结果表明应力均匀、传力流畅,从而验证了自编程序的有效性.最后,将该程序从二维平面拓展到三维空间,实现一座峡谷桥梁的三维拓扑优化,并基于优化结果的拓扑形式完成了其概念设计方案.研究表明结构拓扑优化技术可以在桥梁概念设计阶段得出合理而富启发性的桥梁结构形式,在桥梁找型方面具有良好的应用前景.

基于渐进优化方法的电动汽车充电站选址研究

面对日益紧张的环境和资源的双重压力,电动汽车是未来汽车发展的方向,而电动汽车充电站是电动汽车发展所必需的基础设施,布局合理的电动汽车充电站对电动汽车的普及与发展起着重要的作用。在完成充电需求小区划分的基础上,以规划区域所有充电者到其临近充电站的广义距离之和最小,同时每个充电者都只距其所属充电需求小区的充电站广义距离最近为目标函数,建立整个规划区域内系统最优的充电站选址模型,采用充电需求小区划分—充电站选址—广义距离比较—充电需求小区划分调整的渐进优化法,不断循环求解,寻求充电站的最佳选址。最后针对南京市某区域,通过建模和渐进优化,得到了该区域内的充电站最佳选址。

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。

渐进结构优化法的基本理论及应用

渐进结构优化法（Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，简称ＥＳＯ）是近年来兴起的一种解决各类结构优化问题的数值方法。它是基于这样一个简单概念：通过将结构中无效或低效的材料一步步去掉，剩下的结构将逐渐趋于优化。ＥＳＯ的特点在于简单，通用，优化的结构可为桁架，刚架，板壳或三维连续体，优化的约束条件包括应力，刚度，位移，频率及临界压力。本文阐述渐进结构优化法的基本原理和具体步骤，并以一系列算例演示该法的计算机实施过程，文章最后介绍了ＥＳＯ的最新进展。

约束阻尼结构的双向渐进拓扑优化

针对约束层阻尼板的拓扑优化问题,以模态损耗因子最大化为目标函数,约束阻尼材料体积分数为约束条件,建立了约束阻尼板的拓扑优化模型。基于模态应变能方法,推导了目标函数对设计变量的灵敏度。采用双向渐进优化算法(BESO)对约束阻尼材料的布局进行了拓扑优化,获得了约束阻尼材料的最优拓扑构型,并与渐进优化算法(ESO)进行了比较。研究结果表明:双向渐进优化算法相比渐进优化算法,获得的模态损耗因子更高,阻尼减振效果更好。

城市停车场规划中渐进优化选址技术研究

本文简要介绍城市停车场规划评价系统 PPE Pro,重点讨论 PPE Pro中渐进优化选址技术在停车场规划选址中的应用 .通过对影响城市公共停车场选址因素的分析 ,提出了停车生成小区的概念 ,同时提出了较为实用的停车场选址方法——渐进优化法 ,并给出计算机辅助选址实现过程 ,对一个选址实例进行分析 .分析表明 ,PPE Pro系统采用渐进优化选址技术通过对整个规划小区不断重复进行划分——选址——比较——划分 ,最终能实现整个规划小区系统最优 。

基于双向渐进结构优化方法的泵车支腿拓扑优化

以有限元软件ANSYS为平台进行二次开发,实现基于名义应变能密度的双向结构渐进优化法。将以最大应力为约束、以重量最小为目标的双向结构优化方法应用到泵车后支腿的轻量化设计中。得到较好的优化结果。结果表明,双向渐进结构优化法能够用于指导箱型结构轻量化设计。

基于双向渐进结构优化法的油茶籽脱壳机辊筒的拓扑优化设计

辊筒是油茶籽脱壳机中的关键部件,辊筒的设计水平对脱壳机脱壳的质量与产量起到关键作用。对于目前存在的辊筒质量偏重、转动惯量过大的设计问题,应用双向渐进结构优化法(BESO)设计辊筒的新结构。对油茶籽脱壳机的辊筒建立了结构拓扑优化的数学模型,使用Abaqus进行了仿真实验,编写Python优化程序对模型进行了结构优化。根据优化结果结合仿真实验设计出了新辊筒。在同样载荷约束下,通过对比优化前后两种辊筒的应力与位移,新辊筒的应力分布更加均匀,新辊筒在强度、刚度允许的前提下,其体积、质量比原辊筒减少了37. 2%,降低了辊筒的材料成本;转动惯量减小31. 8%,使其启动和制动时间更短,同时可以选择功率更小的电机,有效减少了整机耗电量。该方法为后续辊筒的设计提供了新的思路。

基于渐进结构优化的取料梁腹板拓扑优化

为了实现圆形堆取料机取料梁的轻量化设计,采用渐进结构优化方法(ESO)研究取料梁腹板的拓扑优化问题.在有限元软件ANSYS平台上利用其APDL语言进行二次开发实现了基于应力水平的渐进结构优化法,并结合使用灵敏度再分配技术控制棋盘格式,使各单元对结构性能的贡献或影响实现平滑过渡.最后获得了较清晰的取料梁腹板拓扑优化构形,为实现取料梁下一步设计及优化提供参考模型.

拓扑优化方法及其在微型柔性结构设计中的应用

介绍了连续体结构拓扑优化设计中常用的均匀化方法和渐进结构优化法的原理,对拓扑优化中出现的数值不稳定现象——棋盘格式、网格依赖性和局部极值——进行了分析,通过典型实例和笔者最近的研究工作说明了拓扑优化在微型柔性机构设计中的应用,最后对拓扑优化技术的发展进行了展望.

基于人工制造约束的三维拓扑优化设计方法

为了更好地解决三维拓扑优化工程实用化的问题,提出了基于人工制造约束的拓扑优化设计方法。该方法在拓扑优化过程中实时地监控拓扑优化结果,并借助设计人员的工程经验,实时地加入符合制造工艺成型的约束条件辅助计算进行机拓扑优化设计。钢结构拱桥算例中以有限元软件ANSYS为平台进行二次开发、以双向渐进结构优化法为核心算法通过人为干预实现了在拓扑优化过程中钢结构拱桥斜支撑向竖直支撑的转变。通过对比发现该方法的优化结果与实际拱桥模型结构相似,表明了该方法是有效的和可行的。

基于ESO算法的深孔机床多工况拓扑优化

为了实现深孔机床床身的轻量化设计,根据渐进结构优化(ESO)基本理论,以有限元软件ANSYS中的APDL语言对ANSYS单元生死功能进行二次开发;基于机床在切削作用下的典型工况,建立了基于应变能准则的多工况结构渐进优化算法,并将其应用到深孔钻床床身的结构拓扑优化中;以多工况下应变能为约束条件,以重量最小为目标函数,对床身进行了结构优化,得到了最优的拓扑结构;最后,根据优化后概念模型对其进行了重构设计。结果表明:在保证满足工作要求的前提下,优化后床身的静、动态性能有所提高,同时整体质量减少了14.47%,从而有效地实现了轻量化设计,为企业提供了新的床身结构方案。

基于有限元法的接触网腕臂截面拓扑优化分析

建立接触网腕臂结构数学模型,利用有限元法校核模型的静刚度、静强度;利用拓扑优化原理对结构断面进行优化计算,得出在基本不改变结构刚度的前提下结构断面的最优化形式,该优化形式可减轻腕臂结构重量。本文可为项目建设和运营维护成本缩减及自主研发接触网腕臂系统提供新的设计思路。

桁架结构形状与尺寸组合优化

提出了一种渐进优化方法 ,通过分离设计变量 ,分别采用渐进节点移动法和满应力法优化桁架结构的形状和尺寸。通过循环迭代 ,耦合形状和尺寸变量间的相互作用关系 ,以期得到结构的最小重量。结构受到应力、局部稳定和节点位移等多种约束。最优解由初始结构设计渐进得到。

基于双向渐进结构优化法的“破损-安全”结构轻量化设计

“破损-安全”(fail-safe)设计通过冗余载荷路径设计提升结构的损伤容限(残余承载能力),是保障飞行器结构安全性的重要设计环节;然而,冗余结构形式不可避免地导致重量增加、效率降低,严重制约飞行器结构性能的进一步提升.论文基于双向渐进结构优化法(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization),提出了一种“破损-安全”结构轻量化设计方法.具体地,设计方法采用“0/1”离散拓扑变量,以结构重量(材料用量)最小化作为优化目标,同时对局部破损结构的承载形变进行约束(低于安全阈值).针对渐进结构优化法难处理多设计约束的瓶颈,采用p范数法对局部破损结构的最大承载形变进行凝聚,并通过拉格朗日乘子将其耦合至优化目标函数,实现结构轻量化与“破损-安全”的同步设计.进一步地,并依据最大残余承载形变对局部区域破损之于“破损-安全”的影响程度进行判定,通过免除低影响局部破损区域的残余承载形变分析与约束,大幅度地提升了优化设计效率.通过系列基准测试算例,验证了论文“破损-安全”设计方法的有效性及高效性.