A Hybrid Level Set Optimization Design Method of Functionally Graded Cellular Structures Considering Connectivity

With the continuous advancement in topology optimization and additive manufacturing(AM)technology,the capability to fabricate functionally graded materials and intricate cellular structures with spatially varying microstructures has grown significantly.However,a critical challenge is encountered in the design of these structures–the absence of robust interface connections between adjacent microstructures,potentially resulting in diminished efficiency or macroscopic failure.A Hybrid Level Set Method(HLSM)is proposed,specifically designed to enhance connectivity among non-uniform microstructures,contributing to the design of functionally graded cellular structures.The HLSM introduces a pioneering algorithm for effectively blending heterogeneous microstructure interfaces.Initially,an interpolation algorithm is presented to construct transition microstructures seamlessly connected on both sides.Subsequently,the algorithm enables the morphing of non-uniform unit cells to seamlessly adapt to interconnected adjacent microstructures.The method,seamlessly integrated into a multi-scale topology optimization framework using the level set method,exhibits its efficacy through numerical examples,showcasing its prowess in optimizing 2D and 3D functionally graded materials(FGM)and multi-scale topology optimization.In essence,the pressing issue of interface connections in complex structure design is not only addressed but also a robust methodology is introduced,substantiated by numerical evidence,advancing optimization capabilities in the realm of functionally graded materials and cellular structures.

基于时空守恒元和解元(CE/SE)方法的孔隙介质多相流动计算

将时空守恒元/解元(CE/SE)方法推广到二维孔隙介质多相流问题的数值计算中,采用人工压缩法耦合速度和压力,同时结合杂交粒子水平集方法捕捉物质界面.提出一套完整的二维欧拉型孔隙介质非稳态多相不可压缩黏性流动计算方案.通过对溃坝和液滴在重力作用下的运动和变形问题的数值模拟,验证了方法的精度和有效性.在此基础上,提出了一个新的孔隙介质两相流物理模型——双层流体顶盖驱动方腔流.

基于快速杂交拟合能量模型的红外海面目标检测

针对传统的红外海面目标检测方法所存在的缺陷,即很难准确的捕获模糊目标区的外部轮廓,提出了一种基于快速杂交拟合能量模型的红外海面目标检测方法。该方法有效的融合了小波多尺度分解、海天线提取、多级滤波及杂交拟合能量模型。在将图像数据牵引至杂交拟合能量模型所对应的演化过程之前,经历了局部子带内的多级多带宽的滤波处理,最后将子图内的检测结果映射到原始的图像数据上。定量地评价了所提算法在信杂比增益、背景抑制因子及检测概率等指标上的性能。实验结果表明,相比传统的目标检测算法,该方法获得了更高的检测概率。

基于变动权值的混合水平集图像分割模型

基于局部区域的活动轮廓模型(LRAC)分割图像时对初始轮廓的严重依赖性,提出一种基于局部和全局区域结合的水平集图像分割算法。结合Chan-Vese水平集模型和LRAC模型的特点,在构造水平集函数时定义了变动的权值参数,将水平集函数的局部和全局能量泛函项结合起来,其中,权重参数由图像梯度和图像演化曲线内外局部均值定义。另外,在水平集函数演化时采用窄带法,以减小计算的时间复杂度。实验结果表明,该算法模型兼有CV模型和LRAC模型的优点,比LRAC模型对初始轮廓选取的依赖性低,收敛速度快;比窄带CV模型的对目标边缘分割效果好。

隐式曲面梯度多孔结构拓扑优化设计方法

为实现多孔单胞构型对多孔结构功能特性的调控,提出隐式曲面梯度多孔结构拓扑优化设计方法。在三周期极小曲面隐式水平集函数中引入罚函数,保证小体积分数下曲面的连续性。对惩罚的隐式函数线性加权构造混合水平集函数,实现多孔结构混合参数化建模。采用数值均匀化法评估多孔结构的宏观等效弹性属性,并通过径向基插值函数构建等效弹性张量关于混合权重因子的显式表达式。以混合权重因子为设计变量,建立柔度最小化拓扑优化模型并采用优化准则法求解。引入Heaviside函数建立高阶连续插值模型,保证梯度多孔结构的高阶连续性。数值案例和实验结果表明,相比于均布多孔结构,所设计的梯度多孔结构的鲁棒性和承载特性更优,且不同单胞构型的梯度多孔结构功能特性相异。所提方法能有效应用三周期极小曲面梯度多孔结构设计,实现多孔单胞构型对结构功能特性的调控,丰富了多孔结构的力学内涵。

梯度空心多孔结构优化设计方法

针对空心多孔结构参数化建模困难、承载性能不足的问题,提出了一种梯度空心多孔结构优化设计方法。将不同水平参数的I-WP(I-wrapped package)型三周期极小曲面进行布尔运算实现了空心多孔结构单胞的隐式建模,并基于数值均匀化法对该结构的等效弹性属性进行了评估。通过引入凸优化理论的仿射概念,构造混合水平集函数,实现了梯度空心多孔结构的参数化建模;以刚度最大化为目标函数,建立了基于混合水平集方法的梯度空心多孔结构拓扑优化模型,通过优化准则算法进行求解,得到了具有良好连续性的梯度多孔结构。对优化结构进行了有限元分析,并采用选择性激光烧结技术制造了模型样件,开展了力学实验。数值案例和实验结果表明,该方法可有效实现空心多孔结构的参数化设计,显著提高了多孔结构的承载性能。

功能梯度多孔结构拓扑优化的混合水平集方法

为解决传统功能梯度多孔结构单胞分布形式单一、几何连续性差的问题,提出了一种功能梯度多孔结构拓扑优化的混合水平集方法。引入权重系数构造隐式水平集函数的仿射,实现了梯度微结构单胞与宏观结构隐式建模。建立全局更新-局部插值的设计变量更新策略,将几何连续性嵌入拓扑优化模型。以权重系数作为设计变量,结构体积分数为约束,建立了功能梯度多孔结构刚度拓扑优化模型,并采用优化准则算法进行求解。数值算例表明,本方法可有效实现功能梯度多孔结构拓扑优化,丰富了多孔结构单胞的梯度变化形式,保证了不同多孔结构之间的连续性。