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基于水平集带方法的柔顺机构拓扑优化研究
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作者 魏鹏 何磊 +3 位作者 许伟鹏 陈起 刘杰 龙凯 《华南理工大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期93-101,共9页
水平集方法在拓扑优化问题中采用隐式函数的零水平集描述结构边界,由于可以方便的表达结构拓扑变化并使结构边界保持清晰和光滑的特性,水平集方法很快成为拓扑优化领域的重要方法之一。但是由于水平集方法在优化过程中存在拓扑变化的不... 水平集方法在拓扑优化问题中采用隐式函数的零水平集描述结构边界,由于可以方便的表达结构拓扑变化并使结构边界保持清晰和光滑的特性,水平集方法很快成为拓扑优化领域的重要方法之一。但是由于水平集方法在优化过程中存在拓扑变化的不连续性,容易出现数值不稳定、初始设计依赖性等问题。近年来水平集带方法的提出可以有效改善这一现象,成为提升水平集方法拓扑表达能力的重要手段。本文将水平集带引入到参数化水平集拓扑优化方法中,并对其在柔顺机构优化设计问题中的应用开展研究。水平集带方法在水平集函数的零水平集附近引入水平集带区域,采用水平集函数插值可以得到带宽范围内[0,1]区间连续分布的材料密度,并在优化过程中通过逐渐减小水平集带的宽度使带宽范围内的材料密度逐渐收敛至0-1分布。该方法结合了变密度法的优势,使优化过程中材料密度变化保持连续,可以提升参数化水平集方法的稳定性,得到更优的目标函数值,并有效改善水平集方法的初始设计依赖性问题。本文通过多个柔顺机构的拓扑优化算例从不同初始设计、不规则设计域及几何非线性等多方面分析和验证了该方法的有效性,计算结果表明该方法对面向实际工程的复杂设计问题具有较好的适用性。 展开更多
关键词 拓扑优化 柔顺机构 参数化水平集方法 水平集带方法 几何非线性
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基于子结构法的多层级结构拓扑优化 被引量:7
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作者 付君健 孙鹏飞 +2 位作者 杜义贤 田启华 高亮 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第16期1937-1944,1951,共9页
为避免多层级结构拓扑优化中的尺度分离问题,保证不同多孔结构之间的连接性,提出了一种基于子结构法的多层级结构拓扑优化方法。采用参数化水平集方法,将多孔结构拓扑优化分为两个层级,在细观层级优化多孔结构拓扑构型,在宏观层级优化... 为避免多层级结构拓扑优化中的尺度分离问题,保证不同多孔结构之间的连接性,提出了一种基于子结构法的多层级结构拓扑优化方法。采用参数化水平集方法,将多孔结构拓扑优化分为两个层级,在细观层级优化多孔结构拓扑构型,在宏观层级优化多孔结构最优空间分布。采用子结构法建立宏细观结构之间的联系,将细观结构凝聚为超单元,凝聚的超单元又作为宏观结构分析和优化的基本单元。数值算例表明:所提方法可有效实现二维、三维多层级结构的拓扑优化;在多层级结构设计中考虑多种类型的多孔结构时,所提方法能有效保证不同多孔结构之间的连接性。 展开更多
关键词 拓扑优化 多层级结构 参数化水平集法 子结构法
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基于参数化水平集法的约束阻尼结构动力学拓扑优化 被引量:5
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作者 吴永辉 张东东 +1 位作者 陈静月 郑玲 《上海理工大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期349-359,共11页
约束阻尼(CLD)结构拓扑优化是轻量化设计下实现振动与噪声控制的有效手段。结合约束阻尼结构的有限元模型,以前两阶模态损耗因子及其加权最大化为目标函数,以参数化水平集函数的扩展系数为设计变量,以约束阻尼材料用量为约束条件,建立... 约束阻尼(CLD)结构拓扑优化是轻量化设计下实现振动与噪声控制的有效手段。结合约束阻尼结构的有限元模型,以前两阶模态损耗因子及其加权最大化为目标函数,以参数化水平集函数的扩展系数为设计变量,以约束阻尼材料用量为约束条件,建立了基于参数化水平集法(PLSM)的拓扑优化模型。基于伴随向量法推导了目标函数对设计变量的灵敏度,采用优化准则法更新设计变量。算例结果表明:基于参数化水平集法对约束层阻尼结构进行拓扑优化是可行有效的,且以基板结构应变能分布构建初始构型可提高优化效率。此外进一步讨论了在附加质量保持不变的条件下,约束层材料和阻尼材料厚度变化对约束阻尼材料模态损耗因子和最优构型的影响规律。 展开更多
关键词 参数化水平集法 约束阻尼结构 模态损耗因子 优化准则法
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Concurrent optimization of structural topology and infill properties with a CBF-based level set method 被引量:4
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作者 Long JIANG Yang GUO +3 位作者 Shikui CHEN Peng WEI Na LEI Xianfeng David GU 《Frontiers of Mechanical Engineering》 SCIE CSCD 2019年第2期171-189,共19页
In this paper,a parametric level-set-based topology optimization framework is proposed to concurrently optimize the structural topology at the macroscale and the effective infill properties at the micro/meso scale.The... In this paper,a parametric level-set-based topology optimization framework is proposed to concurrently optimize the structural topology at the macroscale and the effective infill properties at the micro/meso scale.The concurrent optimization is achieved by a computational framework combining a new parametric level set approach with mathematical programming.Within the proposed framework,both the structural boundary evolution and the effective infill property optimization can be driven by mathematical programming,which is more advantageous compared with the conventional partial differential equatiodriven level set approach.Moreover,the proposed approach will be more efficient in handling nonlinear problems with multiple constraints.Instead of using radial basis functions(RBF),in this paper,we propose to construct a new type of cardinal basis functions(CBF)for the level set function parameterization.The proposed CBF parameterization ensures an explicit impose of the lower and upper bounds of the design variables.This overcomes the intrinsic disadvantage of the conventional RBF-based parametric level set method,where the lower and upper bounds of the design variables oftentimes have to be set by trial and error;A variational distance regularization method is utilized in this research to regularize the level set function to be a desired distanceregularized shape.With the distance information embedded in the level set model,the wrapping boundary layer and the interior infill region can be naturally defined.The isotropic infill achieved via the mesoscale topology optimization is conformally fit into the wrapping boundary layer using the shape-preserving conformal mapping method,which leads to a hierarchical physical structure with optimized overall topology and effective infill properties.The proposed method is expected to provide a timely solution to the increasing demand for multiscale and multifunctional structure design. 展开更多
关键词 CONCURRENT topology OPTIMIZATION parametrIC level set method cardinal basis function shell-infill structure design confonnal mapping
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参数化水平集法在正交各向异性结构多目标拓扑优化中的应用
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作者 张建平 陈莉莉 +2 位作者 左志坚 卢海山 刘庭显 《机械科学与技术》 CSCD 北大核心 2023年第3期484-490,共7页
利用全局支撑径向基函数插值初始水平集函数,以水平集函数为设计变量,以结构柔度和散热弱度的加权函数为目标函数,基于参数化水平集法(Parameterized level set method,PLSM)建立了正交各向异性结构的热力耦合多目标拓扑优化模型。结合... 利用全局支撑径向基函数插值初始水平集函数,以水平集函数为设计变量,以结构柔度和散热弱度的加权函数为目标函数,基于参数化水平集法(Parameterized level set method,PLSM)建立了正交各向异性结构的热力耦合多目标拓扑优化模型。结合数值算例研究了权系数、材料方向角、泊松比因子和热导率因子对PLSM多目标最优拓扑结构和目标函数的影响,并给出了相关参数的合理取值范围;在3D打印实物的基础上完成了最优各向异性拓扑结构的性能分析,并与各向同性结构进行了对比讨论。结果表明,PLSM最优拓扑结构比变密度法的拓扑结构边界更光滑、清晰,不会出现中间密度和锯齿等现象;同时正交各向异性结构的温度场、位移场和应力场比各向同性结构均有较好地改善,加权目标函数、结构柔度和散热弱度分别降低了55%、3.18%和81.1%。 展开更多
关键词 正交各向异性结构 参数化水平集法 多目标拓扑优化 泊松比因子 热导率因子
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基于参数化水平集方法的水下耐压结构的拓扑优化
6
作者 蒋垣腾 赵敏 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2022年第3期400-413,共14页
利用参数化水平集方法可以得到结构轮廓的清晰边界的特性,本文基于径向基函数插值得到的参数化水平集方法,提出了一种新的可扫描有遮蔽区域的边界搜索方法,实现了静水压力载荷下的水下耐压结构的拓扑优化设计。以结构柔度最小化为目标函... 利用参数化水平集方法可以得到结构轮廓的清晰边界的特性,本文基于径向基函数插值得到的参数化水平集方法,提出了一种新的可扫描有遮蔽区域的边界搜索方法,实现了静水压力载荷下的水下耐压结构的拓扑优化设计。以结构柔度最小化为目标函数,以结构体积为设计约束,结合改进的拉格朗日算子,研究了不同边界约束条件下水下耐压结构的优化设计问题。优化结果表明,该方法可以处理诸如多球交接耐压结构等复杂边界条件下的水下耐压结构拓扑优化问题,对于新型水下耐压结构的探索具有工程应用价值。 展开更多
关键词 水下耐压结构 拓扑优化 设计相关载荷 径向基函数 参数化水平集方法 边界搜索方法
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基于学习型敏度的参数化水平集拓扑优化方法
7
作者 付君健 陈鹏 +3 位作者 张玉彦 田启华 周祥曼 杜义贤 《机械设计与研究》 CSCD 北大核心 2022年第3期1-6,共6页
针对水平集拓扑优化方法中敏度推导复杂、无梯度拓扑优化方法浪费计算资源等问题,提出了一种基于学习型敏度的参数化水平集拓扑优化方法。该方法根据结构离散单元的力学信息构造局部状态特征,以局部状态特征为输入、优化目标为输出,建... 针对水平集拓扑优化方法中敏度推导复杂、无梯度拓扑优化方法浪费计算资源等问题,提出了一种基于学习型敏度的参数化水平集拓扑优化方法。该方法根据结构离散单元的力学信息构造局部状态特征,以局部状态特征为输入、优化目标为输出,建立拓扑优化敏度学习的神经网络模型,并采用自适应协方差进化算法训练神经网络,得到拓扑优化敏度学习的最优神经网络参数。通过数值算例,讨论了激活函数和隐藏层神经元数量对拓扑优化结果的影响,验证了基于学习型敏度的参数化水平集拓扑优化方法的有效性。 展开更多
关键词 参数化水平集法 拓扑优化 学习型敏度 局部状态特征 神经网络 自适应协方差进化算法
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基于参数化水平集法的热传导结构拓扑优化 被引量:1
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作者 沈亚栋 封建湖 程晓晗 《机械强度》 CAS CSCD 北大核心 2018年第4期863-868,共6页
针对利用传统水平集法(level set method,LSM)进行热传导结构拓扑优化计算过程复杂及计算效率低等问题,本文将参数化水平集法(parametric level set method,PLSM)引入热传导结构拓扑优化中,通过紧支径向基函数(compactly supported-radi... 针对利用传统水平集法(level set method,LSM)进行热传导结构拓扑优化计算过程复杂及计算效率低等问题,本文将参数化水平集法(parametric level set method,PLSM)引入热传导结构拓扑优化中,通过紧支径向基函数(compactly supported-radial basis functions,CS-RBFs)插值初始的水平集函数,建立了以CS-RBFs的插值系数为设计变量,结构的散热弱度为目标函数以及材料体积为约束的热传导结构拓扑优化模型,再通过移动渐近线法(method of moving asymptotes,MMA)更新CS-RBFs的插值系数,结构的优化过程转化为插值系数的更新过程,由此得到最优拓扑。数值算例结果表明利用参数化水平集法(PLSM)与传统的水平集法(LSM)得到的拓扑结果基本一致,验证了该法的可行性和有效性。 展开更多
关键词 参数化水平集法 拓扑优化 热传导结构
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Binary Tomography Reconstruction with Limited-Data by a Convex Level-Set Method
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作者 Haytham A.Ali Hiroyuki Kudo 《Computers, Materials & Continua》 SCIE EI 2022年第11期3741-3756,共16页
This paper proposes a new level-set-based shape recovery approach that can be applied to a wide range of binary tomography reconstructions.In this technique,we derive generic evolution equations for shape reconstructi... This paper proposes a new level-set-based shape recovery approach that can be applied to a wide range of binary tomography reconstructions.In this technique,we derive generic evolution equations for shape reconstruction in terms of the underlying level-set parameters.We show that using the appropriate basis function to parameterize the level-set function results in an optimization problem with a small number of parameters,which overcomes many of the problems associated with the traditional level-set approach.More concretely,in this paper,we use Gaussian functions as a basis function placed at sparse grid points to represent the parametric level-set function and provide more flexibility in the binary representation of the reconstructed image.In addition,we suggest a convex optimization method that can overcome the problem of the local minimum of the cost function by successfully recovering the coefficients of the basis function.Finally,we illustrate the performance of the proposed method using synthetic images and real X-ray CT projection data.We show that the proposed reconstruction method compares favorably to various state-of-the-art reconstruction techniques for limited-data tomography,and it is also relatively stable in the presence of modest amounts of noise.Furthermore,the shape representation using a compact Gaussian radial basis function works well. 展开更多
关键词 Binary tomography parametric level-set method inverse problem shape recovery Gaussian function convex optimization
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连续体结构的参数化水平集统一优化
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作者 王书亭 杨勇 +1 位作者 吴义忠 张卫国 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2012年第4期528-533,共6页
针对传统分步式结构优化设计的不足,提出一种同时进行结构拓扑、形状和尺寸统一优化的设计方法.首先采用水平集函数描述统一的结构优化模型和几何尺寸边界,通过引入紧支径向插值基函数将结构拓扑优化变量、形状优化变量和尺寸优化变量... 针对传统分步式结构优化设计的不足,提出一种同时进行结构拓扑、形状和尺寸统一优化的设计方法.首先采用水平集函数描述统一的结构优化模型和几何尺寸边界,通过引入紧支径向插值基函数将结构拓扑优化变量、形状优化变量和尺寸优化变量变换为基函数的扩展系数;然后取该扩展系数为设计变量,借助一种参数的变化表达3种优化要素对结构性能的影响,将复杂的多变量优化问题变换为相对简单的参数优化问题,有利于与相对成熟的优化算法相结合提高求解效率;进一步用R函数将其融合为一个整体,构造出统一优化模型,并用最优化准则法进行求解.最后通过数值案例证明了该方法的有效性和精确性. 展开更多
关键词 拓扑优化 形状优化 尺寸优化 统一优化 水平集法 紧支径向基函数 最优化准则法
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梯度空心多孔结构优化设计方法 被引量:1
11
作者 田启华 舒正涛 +3 位作者 付君健 杜义贤 周祥曼 田磊 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第23期2867-2878,共12页
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... 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。 展开更多
关键词 空心多孔结构 参数化建模 均匀化法 混合水平集法 力学实验
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