基于能量均匀化的高剪切强度周期性点阵结构拓扑优化

传统多孔结构构型型式单一、缺乏科学设计方法的指导,为了从拓扑构型角度设计抗剪切性能更优的周期性点阵结构,基于拓扑优化技术,以周期性单胞为研究对象,以其切变模量最大为目标,以结构的材料用量和力学控制方程为约束条件,利用能量均匀化方法建立基于宏观力学性能的细观点阵结构的优化模型,通过改进的优化算法求解模型,得到了一种宏观上的拓扑边界清晰的周期性点阵结构。然后根据优化结果,在考虑胞元非等壁厚和横向剪切变形影响条件下进行等效材料力学性能分析,得到剪切性能关于微结构胞元几何参数的表征,同时加工制造了优化得到的周期性点阵结构,并进行了剪切力学性能测试。从理论分析和性能试验两个方面与六边形蜂窝结构相应的切变模量进行对比,结果表明,经优化得到的周期性点阵结构切变模量有大幅提升、抗剪切性能更优越。验证了所提出方法能有效地应用于周期性点阵结构抗剪切性能的优化设计。

具有极化特性的拓扑优化节点密度插值方法

为了解决拓扑优化中棋盘格式和灰度单元等数值不稳定性问题,提出了一种能构造连续密度场和极化中间密度的节点密度插值方法。基于节点密度,该方法首先建立了基于双线性函数的拓扑优化密度插值函数,使设计区域的密度场具有连续性,在数学本质上消除了棋盘格现象;然后构造具有逼近0/1两端特性的密度极化函数,合理极化中间密度,极大减少了中间密度节点数量,抑制了灰度单元。经典数值算例表明:所提出的方法能有效地解决棋盘格,抑制灰度单元。

基于序列插值模型和多重网格方法的多材料柔性机构拓扑优化

基于固体各向同性材料惩罚模型(Solid isotropic material with penalization,SIMP)的多材料柔性机构拓扑优化是将原问题分解成若干子问题进行分层优化,成倍地增加了设计变量数量,且该方法利用传统的有限元离散,为了得到清晰的拓扑结构网格数量必然巨大,这两方面的因素造成了该方法计算效率低下。因此,基于幂函数多项式提出序列插值模型,用该模型进行多材料布局迭代,使不同材料在设计域内序列向预定义的多个材料点聚集,无须分解成子问题即可在单一优化框架下完成多材料的拓扑优化,且没有增加设计变量数量。以机构的几何增益最大为目标,建立多材料柔性机构拓扑优化模型。在利用有限元求解控制方程过程中引入多重网格方法,网格划分粒度层次递进,将粗网格水平下位移场作为细网格上的初始场量,避免直接用细密网格将设计域整体离散带来的高计算成本问题,提升计算效率。通过改进的优化准则法求解模型,得到序列最优布局型式的多材料柔性机构。通过典型算例及与基于SIMP的方法相应结果对比,验证了提出方法的有效性。