摘要：在许多如大坝、桥梁等大型土木工程结构中,结构的自重是初始设计阶段必须考虑的重要载荷之一,因此研究自重载荷作用下的结构拓扑优化设计问题具有十分重要的意义.针对考虑自重载荷作用的拓扑优化问题所面临的主要困难,总结了现有处理考虑自重载荷的拓扑优化问题的三类主要方法;提出一种基于非均匀有理B样条(non-uniform rational B-splines,NURBS)基函数插值的拓扑描述函数方法,基于此方法研究了考虑设计依赖自重载荷作用的2D/3D结构优化设计问题.在列式下,高阶NURBS基函数被同时用于三维NURBS实体片中的几何场、位移场及设计变量场插值,实现了几何模型、分析模型和优化模型的有效统一,确保了位移场及设计变量场的高阶连续性;详细推导了基于NURBS基函数插值的考虑自重载荷作用的三维结构拓扑优化模型及其灵敏度列式,并采用移动渐进线方法(method of moving asymptotes,MMA)进行了优化求解;多个算例验证了方法的有效性和稳定性,结果表明,优化迭代过程稳健,收敛快,能够有效地克服自重载荷作用下连续体结构拓扑优化中经常遇到的低密度区域材料的寄生效应及目标函数的非单调性等问题.

摘要：研究了拓扑描述函数在材料设计中的应用,给出了一种基于拓扑描述函数的特定性能材料设计问题的提法和求解方法.将拓扑描述函数表示成含参数的基函数之和,将材料微结构拓扑优化问题转化为设计基函数描述参数的尺寸优化问题,使问题求解更方便.基于拓扑描述函数的方法可以准确确定设计域上任意点的材料分布,避免了变密度法常出现的棋盘效应、设计变量和有限元单元相关的缺点;与传统的水平集方法相比,其优化模型可以利用现有的优化方法求解,避免了差分法求偏微分方程.具有正泊松比和负泊松比的特定弹性性能材料的设计算例,说明了基于拓扑描述函数的材料设计方法的有效性.

摘要：工程中常需要设计各种各样的作动器以满足一定的驱动要求。本文采用拓扑优化的方法设计以压电材料为驱动的作动器。通过拓扑描述方法和RAMP(Rational Approximation of Material Properties)材料插值模型相结合的建模方式,建立了压电驱动元件布局与柔性机构构型协同设计的优化模型;以电压的作用下作动器在某一方向的输出位移最大为目标,设计压电驱动元件的最优布局以及与之相连接柔性机构的最优拓扑构型。文中算例的成功实现验证了本文方法的有效性。

摘要：拓扑优化作为一种先进设计方法,已被成功用于多个学科领域优化问题求解,但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍,如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等.在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段.在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中,通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑,包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性.本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法.所提方法继承了二者优势,避免了各自缺点.在该方法中,首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据,提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法.其次,通过引入组件的3个长度变量,建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型.最后,以组件厚度变量为约束,构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型.采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性.数值结果表明,所提方法在无需额外约束的条件下,仅通过组件厚度变量下限设置,可实现整体结构的最小尺寸精确控制,并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界.