×

形状泛函的拓扑导数。II: 一阶方法和应用。 (英语) Zbl 1414.49045号

摘要:奇异摄动几何域拓扑敏感性分析框架,见本系列综述论文的第一部分[作者,同上180,No.2,341-373(2019;Zbl 1409.35018号)],允许给定形状泛函相对于一个小参数的渐近展开,该小参数测量奇异域扰动的大小,例如孔、空洞、夹杂物、源项和裂纹。形状敏感性分析中的这一新概念将二维和三维可容许域的形状导数从域边界推广到其内部。因此,拓扑导数的概念是解决形状-拓扑优化问题的有力工具。拓扑导数在工程和物理的许多不同领域中都有应用,例如结构力学中的形状和拓扑优化、偏微分方程反问题、图像处理、多尺度材料设计和包括损伤和断裂演化的力学建模现象。在综述的第二部分中,提出了一种基于一阶拓扑导数的拓扑优化算法。在迭代中采用适当的水平集域表示方法,以设计最优形状拓扑局部解。该算法已成功地用于一类形状拓扑优化问题的数值求解。

MSC公司:

2010年第49季度 优化最小曲面以外的形状
74年第35季度 PDE与可变形固体力学
49年20日 偏微分方程最优控制问题的存在性理论
4.95亿 基于必要条件的数值方法

软件:

Matlab公司
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] Novotny,A.A.,Sokołowski,J.,Żochowski,A.:形状泛函的拓扑导数。第一部分:奇摄动几何域理论。J.优化。理论应用。180(2), 1-30 (2019)
[2] Amstutz,S.,Andrä,H.:使用水平集方法进行拓扑优化的新算法。J.计算。物理。216(2), 573-588 (2006) ·Zbl 1097.65070号
[3] Novotny,A.A.,Sokołowski,J.:形状优化中的拓扑导数。力学与数学的相互作用。柏林施普林格出版社(2013)·Zbl 1276.35002号
[4] Amstutz,S.:拓扑优化的水平集方法分析。最佳方案。方法软件。26(4-5), 555-573 (2011) ·Zbl 1227.49045号
[5] Amigo,R.C.R.,Giusti,S.,Novotny,A.A.,Silva,E.C.N.,Sokolowski,J.:将弯张压电致动器优化设计为两个空间维度。SIAM J.控制优化。52(2), 760-789 (2016) ·Zbl 1382.74101号
[6] Amstutz,S.、Giusti,S.M.、Novotny,A.A.、de Souza Neto,E.A.:应用于微观结构合成的多尺度线性弹性模型的拓扑导数。国际期刊数字。方法工程84,733-756(2010)·Zbl 1202.74132号
[7] Amstutz,S.,Novotny,A.A.:受von Mises应力约束的结构拓扑优化。结构。多磁盘。最佳方案。41(3), 407-420 (2010) ·Zbl 1274.74053号
[8] Amstutz,S.、Novotny,A.A.、de Souza Neto,E.A.:受Drucker-Prager应力约束结构的基于拓扑导数的拓扑优化。计算。方法应用。机械。工程233-236、123-136(2012)·Zbl 1253.74078号
[9] Lopes,C.G.,dos Santos,R.B.,Novotny,A.A.:多荷载工况下结构的基于拓扑导数的拓扑优化。拉丁美洲实体结构杂志。12, 834-860 (2015)
[10] Lopes,C.G.,Novotny,A.A.:基于拓扑导数概念的具有应力约束的柔顺机构的拓扑设计。结构。多磁盘。最佳方案。54(4), 737-746 (2016)
[11] Giusti,S.,Mróz,z.,Sokolovski,J.,Novotny,A.:热机械致动器的拓扑设计。结构。多磁盘。最佳方案。551575-1587(2017)
[12] Sá,L.F.N.,Amigo,R.C.R.,Novotny,A.A.,Silva,E.C.N.:应用于流体流道设计优化问题的拓扑导数。结构。多磁盘。最佳方案。54(2), 249-264 (2016)
[13] Torii,A.J.、Novotny,A.A.、Santos,R.B.:基于拓扑导数概念的稳健合规拓扑优化。国际期刊数字。方法工程106(11),889-903(2016)·Zbl 1352.74250号
[14] Allaire,G.、de Gournay,F.、Jouve,F.和Toader,A.M.:通过水平集方法使用拓扑和形状敏感性进行结构优化。控制网络。34(1), 59-80 (2005) ·Zbl 1167.49324号
[15] Burger,M.,Hackl,B.,Ring,W.:将拓扑导数合并到水平集方法中。J.计算。物理。194(1), 344-362 (2004) ·Zbl 1044.65053号
[16] Eschenauer,H.A.、Kobelev,V.V.、Schumacher,A.:结构拓扑和形状优化的气泡法。结构。最佳方案。8(1), 42-51 (1994)
[17] Otomori,M.,Yamada,T.,Izui,K.,Nishiwaki,S.:使用反应扩散方程的基于水平集的拓扑优化方法的Matlab代码。结构。多磁盘。最佳方案。51(5), 1159-1172 (2015)
[18] Sokołowski,J.,Żochowski,A.:关于形状优化中的拓扑导数。SIAM J.控制优化。37(4), 1251-1272 (1999) ·Zbl 0940.49026号
[19] Bojczuk,D.,Mróz,z.:拓扑灵敏度导数和有限拓扑修改:在板弯曲优化中的应用。结构。多磁盘。最佳方案。39(1), 1-15 (2009) ·Zbl 1274.74317号
[20] Giusti,S.M.、Novotny,A.A.、Sokołowski,J.:稳态正交各向异性热扩散问题的拓扑导数。结构。多磁盘。最佳方案。40(1), 53-64 (2010) ·Zbl 1274.74335号
[21] Kobelev,V.:拓扑优化中最佳定位不均匀性的气泡和颗粒方法和标准。结构。多磁盘。最佳方案。40(1-6), 117-135 (2010) ·Zbl 1274.74353号
[22] Leugering,G.,Sokołowski,J.:图上椭圆问题的拓扑导数。控制网络。37, 971-998 (2008) ·Zbl 1188.49042号
[23] Novotny,A.A.、Feijóo,R.A.、Padra,C.、Taroco,E.:拓扑敏感性分析。计算。方法应用。机械。工程192(7-8),803-829(2003)·兹比尔1025.74025
[24] Novotny,A.A.、Feijóo,R.A.、Padra,C.、Taroco,E.:线性弹性板弯曲问题的拓扑导数。控制Cybern。34(1),339-361(2005)·Zbl 1167.74487号
[25] Novotny,A.A.、Feijóo,R.A.、Taroco,E.、Padra,C.:三维线性弹性问题的拓扑敏感性分析。计算。方法应用。机械。工程196(41-44),4354-4364(2007)·Zbl 1173.74374号
[26] Turevsky,I.,Gopalakrishnan,S.H.,Suresh,K.:计算板弯曲中任意形状特征拓扑敏感性的有效数值方法。国际期刊数字。《方法工程》79(13),1683-1702(2009)·Zbl 1176.74144号
[27] Allaire,G.:《结构优化概念》,《数学与应用》,第58卷。柏林施普林格出版社(2007)·Zbl 1132.49033号
[28] Bendsöe,M.P.,Sigmund,O.:拓扑优化。理论、方法和应用。柏林施普林格出版社(2003)·Zbl 1059.74001号
[29] Eschenauer,H.A.,Olhoff,N.:连续体结构的拓扑优化:综述。申请。机械。第54(4)版,331-390(2001)
[30] Campeáo,D.E.,Giusti,S.M.,Novotny,A.A.:采用不同体积控制方法的板材拓扑设计。工程计算。31(5), 826-842 (2014)
[31] Garreau,S.,Guillaume,P.,Masmoudi,M.:PDE系统的拓扑渐近性:弹性情况。SIAM J.控制优化。39(6), 1756-1778 (2001) ·Zbl 0990.49028号
[32] Giusti,S.M.、Ferrer,A.、Oliver,J.:非均匀各向异性弹性问题的拓扑敏感性分析。理论和计算方面。计算。方法应用。机械。工程311134-150(2016)·Zbl 1439.74084号
[33] Lewinski,T.,Sokołowski,J.:弹性固体中出现空腔导致的能量变化。国际固体结构杂志。40(7), 1765-1803 (2003) ·Zbl 1035.74009号
[34] Sokołowski,J.,Żochowski,A.:弹性系统形状泛函的拓扑导数。机械。结构。机器。29(3), 333-351 (2001) ·Zbl 1024.49030号
[35] Amstutz,S.,Van Goethem,N.:无梯度周长近似的拓扑优化方法。反向探测。成像14(3),401-430(2012)·兹比尔1255.49070
[36] Ammari,H.,Kang,H.:极化和矩张量及其在反问题和有效介质理论中的应用。《应用数学科学》,第162卷。施普林格,纽约(2007年)·Zbl 1220.35001号
[37] Amstutz,S.:受逐点状态约束的拓扑优化的惩罚方法。ESAIM:控制。最佳方案。计算变量16(3),523-544(2010)·Zbl 1201.49046号
[38] Bruggi,M.,Duysinx,P.:在柔度和应力约束下实现最小重量的拓扑优化。结构。多磁盘。最佳方案。46(3), 369-384 (2012) ·Zbl 1274.74219号
[39] Emmendoerfer Jr.,H.,Fancello,E.A.:局部应力约束拓扑优化的水平集方法。国际期刊数字。《工程方法》99,129-156(2014)·Zbl 1352.74238号
[40] Fancello,E.A.:考虑局部失效约束和接触边界条件的最小质量设计拓扑优化。结构。多磁盘。最佳方案。32, 229-240 (2006) ·Zbl 1245.74071号
[41] Le,C.,Norato,J.,Bruns,T.:连续统基于应力的拓扑优化。结构。多磁盘。最佳方案。41, 605-620 (2010)
[42] Pereira,J.T.、Fancello,E.A.、Barcellos,C.S.:具有材料失效约束的连续体结构拓扑优化。结构。多磁盘。最佳方案。26(1-2), 50-66 (2004) ·Zbl 1243.74157号
[43] Allaire,G.,Jouve,F.,Maillot,H.:采用水平集方法的最小应力优化设计。工程分析。边界元素。32(11), 909-918 (2008) ·Zbl 1244.74104号
[44] Burns,R.H.,Crossley,F.R.E.:柔性连杆机构的运动静态合成。ASME第。68(36), 29-49 (1964)
[45] Cardoso,E.L.,Fonseca,J.S.O.:使用拓扑优化设计完全柔顺机构的应变能量最大化方法。拉丁美洲实体结构杂志。1, 263-275 (2004)
[46] Lee,E.,Gea,H.C.:柔顺机构设计的基于应变的拓扑优化方法。结构。多磁盘。选项。49, 199-207 (2014)
[47] Luo,J.,Luo,Z.,Chen,S.,Tong,L.,Wang,M.Y.:无铰链柔顺机构系统设计的新水平集方法。计算。方法应用。机械。工程师198318-331(2008)·Zbl 1194.74272号
[48] Meneghelli,L.R.,Cardoso,E.L.:使用拓扑优化设计具有应力约束的柔顺机构。最佳方案。结构。成分。高级结构。马特。43, 35-48 (2013)
[49] Sigmund,O.:关于使用拓扑优化设计柔顺机构。机械。结构。机器。《国际期刊》25(4),493-524(1997)
[50] Amstutz,S.,Ciligot-Travain,M.A.:拓扑优化中的合规稳健性概念。ESAIM:控制。最佳方案。计算变量22(1),64-87(2016)·Zbl 1335.49069号
[51] Dunning,P.,Kim,H.:稳健拓扑优化:期望和顺应性方差最小化。美国航空学会。宇航员。J.51(11),2656-2664(2013)
[52] Guo,X.、Bai,W.、Zhang,W.和Gao,X.:刚度和荷载不确定性下的可靠结构稳健设计和优化。计算。方法应用。机械。工程198(41-44),3378-3399(2009)·Zbl 1230.74148号
[53] Zhao,J.,Wang,C.:基于线弹性理论和对称矩阵正交对角化的负载不确定性下鲁棒拓扑优化。计算。方法应用。机械。工程273204-218(2014)·Zbl 1296.74085号
[54] Du,X.,Chen,W.:有效概率设计的顺序优化和可靠性评估方法。ASME J.机械。设计。126(2), 225-233 (2004)
[55] Hlaváček,I.,Novotny,A.A.,Sokołowski,J.,Żochowski,A.:关于输入数据不确定的弹性固体的拓扑导数。J.优化。理论应用。141(3), 569-595 (2009) ·Zbl 1215.74065号
[56] Tu,J.,Choi,K.K.,Park,Y.H.:基于可靠性的设计优化的新研究。ASME J.机械。设计。121(4), 557-564 (1999)
[57] Guillaume,P.,Idris,K.S.:斯托克斯方程的拓扑灵敏度和形状优化。SIAM J.控制优化。43(1), 1-31 (2004) ·Zbl 1093.49029号
[58] Amstutz,S.:Navier-Stokes方程的拓扑渐近性。ESAIM:控制。最佳方案。计算变量11(3),401-425(2005)·Zbl 1123.35040号
[59] Guillaume,P.,Hassine,M.:消除拓扑形状优化中的漏洞。ESAIM:控制。最佳方案。计算变量14(1),160-191(2008)·兹比尔1140.49029
[60] Duan,X.,Li,F.:材料分布类似于斯托克斯流优化形状设计的水平集方法。申请。数学。计算。266, 21-30 (2015) ·Zbl 1410.76051号
[61] Plotnikov,P.,Sokołowski,J.:可压缩Navier-Stokes方程。理论和形状优化。施普林格,巴塞尔(2012)·Zbl 1260.35002号
[62] Giusti,S.M.、Novotny,A.A.、de Souza Neto,E.A.、Feijóo,R.A.:宏观弹性张量对拓扑微观结构变化的敏感性。J.机械。物理。固体57(3),555-570(2009)·Zbl 1170.74372号
[63] Giusti,S.M.、Novotny,A.A.、de Souza Neto,E.A.:弹性微观结构对夹杂物插入的宏观响应的敏感性。程序。R.Soc.A数学。物理。工程科学。466, 1703-1723 (2010) ·Zbl 1334.74037号
[64] Giusti,S.M.、Novotny,A.A.、de Souza Neto,E.A.、Feijóo,R.A.:宏观导热张量对拓扑微结构变化的敏感性。计算。方法应用。机械。工程198(5-8),727-739(2009)·Zbl 1229.74120号
[65] Méndez,C.G.,Podestá,J.M.,Lloberas-Valls,O.,Toro,S.,Huespe,A.E.,Oliver,J.:声学隐身的计算材料设计。国际期刊数字。方法工程1121353-1380(2017)
[66] Novotny,A.A.,Sokołowski,J.,de Souza Neto,E.A.:考虑裂纹微观结构的多尺度本构模型的拓扑敏感性分析。数学。方法应用。科学。33(5), 676-686 (2010) ·Zbl 1186.49029号
[67] Sanchez-Palencia,E.:非同源介质和振动理论。物理课堂讲稿,第127卷。柏林施普林格(1980)·Zbl 0432.70002号
[68] Germain,P.,Nguyen,Q.S.,Suquet,P.:连续热力学。事务处理。ASME J.应用。机械。50(4), 1010-1020 (1983) ·Zbl 0536.73004号
[69] Michel,J.C.,Moulinec,H.,Suquet,P.:具有周期性微观结构的复合材料的有效性能:一种计算方法。计算。方法应用。机械。工程172(1-4),109-143(1999)·Zbl 0964.74054号
[70] Miehe,C.,Schotte,J.,Schröder,J.:大应变下多晶体分析中的计算微观-宏观转变和总模量。计算。马特。科学。16(1-4), 372-382 (1999)
[71] Amad,A.A.S.,Loula,A.F.D.,Novotny,A.A.:热疗中电磁天线拓扑设计的新方法。申请。数学。模型。42, 209-222 (2017) ·兹比尔1443.74011
[72] Amstutz,S.、Horchani,I.、Masmoudi,M.:拓扑梯度法检测裂纹。控制Cybern。34(1),81-101(2005)·Zbl 1167.74437号
[73] Abda,A.B.、Hassine,M.、Jaoua,M.和Masmoudi,M.:斯托克斯流中小空腔位置的拓扑敏感性分析。SIAM J.控制优化。48, 2871-2900 (2009) ·Zbl 1202.49054号
[74] Samet,B.,Amstutz,S.,Masmoudi,M.:亥姆霍兹方程的拓扑渐近性。SIAM J.控制优化。42(5), 1523-1544 (2003) ·Zbl 1051.49029号
[75] Feijóo,G.R.:基于拓扑导数的逆散射新方法。反向探测。20(6), 1819-1840 (2004) ·Zbl 1077.78010号
[76] Amstutz,S.,Dominguez,N.:超声波无损检测背景下的拓扑敏感性分析。工程分析。已绑定。元素。32(11), 936-947 (2008) ·Zbl 1244.74105号
[77] Carpio,A.,Rapún,M.L.:用拓扑导数方法求解非齐次逆问题。反向探测。24(4), 045,014 (2008) ·Zbl 1153.35401号
[78] Funes,J.F.、Perales,J.M.、Rapún,M.L.、Vega,J.M.M.:通过拓扑敏感性从多频率有限数据中检测缺陷。数学杂志。成像视觉。55, 19-35 (2016) ·Zbl 1337.76056号
[79] Guzina,B.B.,Bonnet,M.:声学逆问题失配泛函的小包含渐近性。反向探测。22(5), 1761-1785 (2006) ·Zbl 1105.76055号
[80] Jleli,M.,Samet,B.,Vial,G.:孔洞边界阻抗条件下修正亥姆霍兹方程的拓扑灵敏度分析。数学杂志。Pures应用程序。103, 557-574 (2015) ·Zbl 1311.35068号
[81] Tokmashev,R.,Tixier,A.,Guzina,B.:弹性波成像拓扑灵敏度方法的实验验证。反向探测。29, 125,005 (2013) ·Zbl 1292.74020号
[82] Ammari,H.、Garnier,J.、Jugnon,V.、Kang,H.:基于拓扑导数的成像函数的稳定性和分辨率分析。SIAM J.控制优化。50(1), 48-76 (2012) ·Zbl 1238.35180号
[83] Guzina,B.B.,Pourahmadian,F.:为什么拓扑灵敏度的高频逆散射可能有效。R.Soc.A数学。物理。工程科学。471(2179),20150187(2015)·Zbl 1371.78080号
[84] Argatov,I.I.:基于AFM的压痕硬度断层扫描——一个渐进模型。J.机械。物理。固体70190-1999(2014)·Zbl 1328.74027号
[85] Bonnet,M.:时域中三维弹性动力学和声逆散射的拓扑敏感性。计算。方法应用。机械。工程195(37-40),5239-5254(2006)·Zbl 1119.74026号
[86] Chikichev,I.,Guzina,B.B.:Navier方程的广义拓扑导数和时域中的逆散射。计算。方法应用。机械。工程194、4467-4484(2008)·Zbl 1194.74168号
[87] Dominguez,N.,Gibiat,V.:使用时域拓扑能量法的非破坏性成像。超声波50(3),367-372(2010)
[88] Van Goethem,N.,Novotny,A.A.:裂纹形核敏感性分析。数学。方法应用。科学。33(16), 1978-1994 (2010) ·Zbl 1201.35081号
[89] Ammari,H.、Kang,H.和Lee,H.,Lim,J.:弹性体中存在小线性裂纹引起的边界扰动。J.弹性。113, 75-91 (2013) ·Zbl 1277.35037号
[90] Allaire,G.,Jouve,F.,Van Goethem,N.:形状优化方法在脆性材料中的损伤和断裂演化。J.计算。物理。230(12), 5010-5044 (2011) ·Zbl 1356.74178号
[91] Xavier,M.,Fancello,E.A.,Farias,J.M.C.,Goethem,N.V.,Novotny,A.A.:脆性材料中基于拓扑导数的断裂建模:现象学方法。工程分形。机械。179, 13-27 (2017)
[92] Xavier,M.,Novotny,A.A.,Goethem,N.V.:基于拓扑导数概念的压裂简化模型。国际固体结构杂志。139-140, 211-223 (2018)
[93] Amstutz,S.、Novotny,A.A.、Van Goethem,N.:使用无梯度周长近似的最小分割和图像分类。反向探测。成像8(2),361-387(2014)·Zbl 1304.49085号
[94] Auroux,D.,Belaid,L.J.,Masmoudi,M.:正则化灰度图像分类问题的拓扑渐近分析。ESAIM数学。模型。数字。分析。41, 607-625 (2007) ·Zbl 1138.68622号
[95] Belaid,L.J.、Jaoua,M.、Masmoudi,M.和Siala,L.:拓扑梯度在图像恢复和边缘检测中的应用。工程分析。已绑定。元素。32(11), 891-899 (2008) ·兹比尔1244.94003
[96] Hintermüller,M.:基于形状和拓扑敏感性的快速水平集算法。控制Cybern。34(1),305-324(2005)·Zbl 1167.49317号
[97] Hintermüller,M.,Laurain,A.:基于形状和拓扑敏感性的多相位图像分割和调制恢复。数学杂志。成像视觉。35, 1-22 (2009) ·Zbl 1490.68282号
[98] Larrabide,I.、Feijóo,R.A.、Novotny,A.A.、Taroco,E.:拓扑导数:图像处理工具。计算。结构。86(13-14), 1386-1403 (2008)
[99] Drogoul,A.,Aubert,G.:半线性问题的拓扑梯度法及其在边缘检测和噪声去除中的应用。反向探测。成像10(1),51-86(2016)·Zbl 1335.35076号
[100] Muszkieta,M.:边缘检测的变化方法。反向探测。成像10(2),499-517(2016)·Zbl 1350.49040号
[101] Novotny,A.A.,Sokołowski,J.,Żochowski,A.:形状泛函的拓扑导数。第三部分:二阶方法及其应用。J.优化。理论应用。181(1), 1-22 (2019) ·Zbl 1419.35016号
[102] Amstutz,S.,Bonnafé,A.:一类拟线性椭圆方程的拓扑导数。数学杂志。Pures应用程序。107, 367-408 (2017)
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。