×

一种用于多孔结构设计的基于相场的系统多尺度拓扑优化方法。 (英语) Zbl 07561066号

总结:本文提出了一种新颖、系统的基于相位场的多孔结构多尺度拓扑优化设计方法。采用多区域微结构复合和固定微结构形状来平衡目标和其他约束。处理了不同微结构之间的连接问题。在多尺度拓扑优化中,宏观和微观设计变量由Allen-Cahn型方程更新,其中包括反应扩散项、灵敏度分析项、体积约束项和修正项。校正项用于保持宏观和微观结构的拓扑结构接近于规定的结构。我们使用一种有效的合并算法来处理不同微观结构之间的连接问题。该算法基于相场函数插值技术和修正的Allen-Cahn方程,能够平滑连接边界,满足最小曲面定理。微观结构的最终分布保持了宏观结构的非凡物理和机械性能。通过对典型悬臂梁、Michell型结构和Messerschmitt-Bölkow-Blohm梁的计算,验证了该方法的有效性。

MSC公司:

74件 固体力学中的优化问题
74埃克斯 经过特殊处理的材料特性
74Sxx型 固体力学中的数值方法和其他方法
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] Gibson,L.J。;Ashby,M.F.,《细胞固体:结构和性质》(1999),剑桥大学出版社
[2] 郑毅。;罗,Z。;Wang,Y。;李,Z。;Qu,J。;Zhang,C.,通过层次结构的拓扑设计优化高隔热,国际热质传递杂志。,186,第122448条pp.(2022)
[3] 韦纳,F。;陈,N。;伊克巴尔,N。;Stingl,M。;Avila,M.,多材料多孔介质中非饱和流动的拓扑优化:应用于简单尿布模型,Commun。非线性科学。数字。模拟。,第78条,第104871页(2019年)·Zbl 1460.76770号
[4] 韩,S.C。;Lee,J.W。;Kang,K.,一种新型低密度材料:贝壳,高级材料。,27, 5506-5511 (2015)
[5] 李,H。;罗,Z。;高,L。;Qin,Q.,基于水平集的多批次微结构并行设计的拓扑优化,计算。方法应用。机械。工程,331,536-561(2018)·Zbl 1439.74284号
[6] 高杰。;罗,Z。;李,H。;Gao,L.,多域微结构多孔复合材料多尺度设计的拓扑优化,计算。方法应用。机械。工程,344,451-476(2019)·Zbl 1440.74295号
[7] 高杰。;罗,Z。;李,H。;李,P。;Gao,L.,多区域微结构蜂窝复合材料的动态多尺度拓扑优化,Compos。结构。,211, 401-417 (2019)
[8] 高杰。;罗,Z。;夏,L。;Gao,L.,多尺度复合材料结构的并行拓扑优化,Matlab,Struct。多磁盘。最佳。,60, 2621-2651 (2019)
[9] Da,D。;崔,X。;Long,K。;蔡,Y。;Li,G.,结构和微观多相材料导热性的多尺度并行拓扑优化,工程计算。,36, 1, 126-146 (2019)
[10] Kim,D。;Lee,J。;Nomurab,T。;Dedec,E.M。;约德·J。;Mine,S.,使用均匀化设计方法对功能梯度各向异性复合材料结构进行拓扑优化,计算。方法应用。机械。工程,369,第113220条pp.(2020)·Zbl 1506.74282号
[11] 库马尔,T。;Sridhara,S。;Prabhune,B。;Suresh,K.,用于分级多尺度拓扑优化的谱分解,计算。方法应用。机械。工程,377,第113670条pp.(2021)·Zbl 1506.74283号
[12] Long,K。;Han,D。;Gu,X.,复合材料宏观结构和微观结构的并行拓扑优化,由不同泊松比的组分相构成,用于最大频率,计算。马特。科学。,129, 194-201 (2017)
[13] Zhang,Y。;肖,M。;高,L。;高杰。;Li,H.,用于最小化具有可连接分级微观结构的蜂窝复合材料频率响应的多尺度拓扑优化,机械。系统。信号处理。,135,第106369条pp.(2020)
[14] 西格蒙德,O。;Maute,K.,《拓扑优化方法:比较综述》,结构。多磁盘。最佳。,48, 1031-1055 (2013)
[15] 吴杰。;西格蒙德,O。;Groen,J.P.,《多尺度结构的拓扑优化:综述》,结构。多磁盘。最佳。,63, 1455-1480 (2021)
[16] 李,H。;罗,Z。;张,N。;高,L。;Brown,T.,使用水平集拓扑优化方法的蜂窝复合材料集成设计,计算。方法应用。机械。工程,309,453-475(2016)·Zbl 1439.74286号
[17] 西瓦普兰,R。;邓宁,P.D。;Kim,H.A.,通过多尺度拓扑优化同时进行材料和结构优化,结构。多磁盘。最佳。,54, 1267-1281 (2016)
[18] Wang,Y。;Kang,Z.,使用组合速度场水平集和密度模型的多单元单元和结构的并行双尺度拓扑设计,计算。方法应用。机械。工程,347340-364(2019)·Zbl 1440.74318号
[19] 周,S。;Li,Q.,针对定制弹性梯度的梯度两相微结构设计,J.Mater。科学。,43, 5157-5167 (2008)
[20] 杜,Z。;周,X。;皮切利,R。;Kim,H.A.,《连接微结构以实现具有连接指数约束的多尺度拓扑优化》,J.Mech。设计。,140,第111417条pp.(2018)
[21] 本德索,M.P。;Sigmund,O.,《拓扑优化:理论、方法和应用》(2003),Springer Science&Business Media·Zbl 1059.74001号
[22] 本德瑟,M.P。;Kikuchi,N.,使用均匀化方法在结构设计中生成最佳拓扑,计算。方法应用。机械。工程师,71197-224(1988)·Zbl 0671.73065号
[23] Guedes,J.M。;Kikuchi,N.,基于自适应有限元均匀化方法的材料预处理和后处理,计算。方法应用。机械。工程,83,143-198(1990)·Zbl 0737.73008号
[24] Allaire,G。;卡瓦利纳。;三宅一生,N。;Oka,T。;Yachimura,T.,《结构拓扑优化的均匀化方法:新旧》,Interdiscip。信息科学。,25, 2, 75-146 (2019) ·Zbl 1452.74096号
[25] 周,M。;Rozvany,G.I.N.,COC算法,第二部分:拓扑、几何和广义形状优化,计算。方法应用。机械。工程师,89309-336(1991)
[26] 安德烈森,E。;克劳森,A。;Schevenels,M。;拉扎罗夫,B.S。;Sigmund,O.,使用88行代码在Matlab中进行高效拓扑优化,结构。多磁盘。最佳。,43, 1-16 (2011) ·Zbl 1274.74310号
[27] 谢永明。;Steven,G.P.,《结构优化的简单进化程序》,计算。结构。,49, 5, 885-896 (1993)
[28] 黄,X。;周,S。;谢毅。;Li,Q.,多孔材料微观结构和宏观结构复合材料的拓扑优化,计算。马特。科学。,67, 397-407 (2013)
[29] Wang,M.Y。;王,X。;郭,D.,结构拓扑优化的水平集方法,计算。方法应用。机械。工程,192,227-246(2003)·Zbl 1083.74573号
[30] 罗,Z。;Wang,M.Y。;王,S。;Wei,P.,用于结构形状和拓扑优化的基于水平集的参数化方法,国际期刊数值。方法工程,76,1-26(2008)·Zbl 1158.74443号
[31] 赵,J。;杨,X。;龚,Y。;X.赵。;杨,X。;李,J。;Wang,Q.,《非平衡模型数值近似的一般策略——第1部分:热力学系统》,国际期刊Numer。分析。型号。,15, 6, 884-918 (2018) ·Zbl 1412.65099号
[32] 孟,X。;乔,Z。;王,C。;Zhang,Z.无斜率选择外延薄膜模型的人工正则化参数分析,CSIAM T.Appl。数学。,1, 441-462 (2020)
[33] 龚,Y。;赵,J。;Wang,Q.,梯度流模型的任意高阶线性能量稳定格式,J.Compute。物理。,419,第109610条pp.(2020)·Zbl 07507221号
[34] 李毅。;王凯。;余,Q。;夏,Q。;Kim,J.,基于流体拓扑优化的无条件能量稳定方案,Commun。非线性科学。数字。模拟。,111,第106433条pp.(2022)·Zbl 07526842号
[35] 武泽,A。;西瓦基,S。;Kitamura,M.,基于相场法和灵敏度分析的形状和拓扑优化,J.Compute。物理。,229, 2697-2718 (2010) ·Zbl 1185.65109号
[36] Choi,J.S.(Choi,J.S.)。;山田,T。;Izui,K。;西瓦基,S。;Yoo,J.,使用反应扩散方程进行拓扑优化,计算。方法应用。机械。工程,2002407-2420(2011)·Zbl 1230.74151号
[37] 艾伦,S.M。;Cahn,J.W.,《反相边界运动微观理论及其在反相畴粗化中的应用》,《金属学报》。,27, 6, 1085-1095 (1979)
[38] 李毅。;Guo,S.,使用修正的Allen-Cahn方程的三重周期极小曲面,Appl。数学。计算。,295, 84-94 (2017) ·Zbl 1411.82029号
[39] Carraturo,M。;罗卡,E。;博内蒂,E。;Hömberg,D。;Reali,A。;Auricchio,F.,基于相场和拓扑优化的分级材料设计,计算。机械。,64, 1589-1600 (2019) ·Zbl 1462.74129号
[40] Auricchio,F。;博内蒂,E。;Carraturo,M。;Hömberg,D。;Reali,A。;Rocca,E.,《带应力约束的基于相场的分级材料拓扑优化》,数学。模型方法应用。科学。,30, 8, 1461-1483 (2020) ·Zbl 1444.74047号
[41] 于清。;王凯。;夏,B。;Li,Y.,基于相场法的拓扑优化的一阶和二阶无条件能量稳定格式,应用。数学。计算。,405,第126267条pp.(2021)·Zbl 1510.65255号
[42] Chi,H。;Zhang,Y。;Tang,T。;米拉贝拉,L。;Dalloro,L。;宋,L。;Paulino,G.H.,拓扑优化的通用机器学习,计算。方法应用。机械。工程,375,第112739条pp.(2021)·Zbl 1506.74267号
[43] 李毅。;夏,Q。;Yoon,S。;Lee,C。;卢,B。;Kim,J.,三周期最小结构的简单有效体积合并方法,计算。物理学。社区。,264,第107956条pp.(2021)
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。