×

基于CMA-ES的结构拓扑优化,使用水平集边界表达式-应用于光学和地毯斗篷。 (英语) Zbl 1440.74293号

摘要:本文提出了一种基于协方差矩阵自适应进化策略(CMA-ES)的拓扑优化方法,作为解决多模态结构优化问题的一种方法。CMA-ES将水平集函数作为设计变量进行优化,以最小化正则化的适应值,从而避免使用周长约束进行拓扑优化的可能性。利用线性插值水平集函数的等值面,获得了材料和空洞之间的显式边界。为了证明所提方法对多模态结构优化问题的有效性,对光学斗篷和地毯斗篷的拓扑优化进行了数值演示。提出的计算策略对初始配置的设置具有鲁棒性,即使拓扑优化问题的解具有多峰分布,其中包含许多性能不足的局部极小值,并且稳定地提高了正则化适应值。所获得的最优配置具有良好的性能,我们可以在不经过寻找合适初始配置和调整策略参数的反复尝试的情况下获得它们。

MSC公司:

第74页第15页 固体力学优化问题的拓扑方法

软件:

CMA-ES公司
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] 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,71,2,197-224(1988)·Zbl 0671.73065号
[2] 迪亚斯,A.R。;Sigmund,O.,布局优化中的棋盘模式,结构。最佳。,10, 1, 40-45 (1995)
[3] 西格蒙德,O。;Petersson,J.,拓扑优化中的数值不稳定性:关于处理棋盘、网格相关性和局部极小值的过程的调查,Struct。最佳。,16, 1, 68-75 (1998)
[4] 本德瑟,M.P。;Sigmund,O.,《结构拓扑、形状和材料的优化》(1997),Springer
[5] 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)·兹比尔1083.74573
[6] 铃木,K。;Kikuchi,N.,形状和拓扑优化的均匀化方法,计算。方法应用。机械。工程,93,291-318(1991)·Zbl 0850.73195号
[7] 山田,T。;Izui,K。;Nishiwaki,S.,一种基于水平集的拓扑优化方法,用于在包括设计相关效应在内的问题中最大化热扩散率,J.Mech。设计。,133, 031011 (2011)
[8] Yaji,K。;山田,T。;M.吉野。;松本,T。;Izui,K。;Nishiwaki,S.,《使用包含水平集边界表达式的格子boltzmann方法进行拓扑优化》,J.Compute。物理。,274, 158-181 (2014) ·Zbl 1351.76255号
[9] 加藤,J。;Yachi,D。;Terada,K。;Kyoya,T.,应用解耦多尺度分析对复合材料微观结构进行拓扑优化,结构。多磁盘。最佳。,49, 595-608 (2014)
[10] Ohtaka,K.,光子能带和低能光子衍射,物理学。B版,195057(1979)
[11] John,S.,某些无序介电超晶格中光子的强局域化,物理学。修订稿。,58, 2486 (1987)
[12] 雅布罗诺维奇,E。;Gmitter,T.J.,《光子带结构:以面为中心的立方情形》,《物理学》。修订稿。,63, 1950 (1989)
[13] Wiersma,D.S.,《随机激光器的物理和应用》,自然物理学。,4, 359-367 (2008)
[14] Wiersma,D.S.,无序光子学,《自然光子》。,7, 188-196 (2013)
[15] Fujii,G。;松本,T。;高桥,T。;Ueta,T.,从光子晶体激光器到随机激光器的过渡研究,光学。Express,207300-7315(2012年)
[16] Fujii,G。;松本,T。;高桥,T。;Ueta,T.,《填充因子对介质随机介质中激光作用影响的研究》,应用。物理。A、 107、1、35-42(2012)
[17] 藤井,G。;松本,T。;高桥,T。;Ueta,T.,光子随机介质中激光模式的有限元分析,J.Phys。B:在摩尔光学下。物理。,45, 8, 085404 (2012)
[18] 尤塔,T。;Fujii,G。;森本茂,G。;宫本茂,K。;Kosaku,A。;Kuriyama,T。;Hariyama,T.,通过无序多孔光子晶体模型对蓝鸟结构颜色的数值研究,Europhys。莱特。,107, 3, 34004 (2014)
[19] 武田,M.W。;Kirihara,S。;宫本茂,Y。;坂田,K。;Honda,K.,《三维分形腔中电磁波的局部化》,Phys。修订稿。,92, 093902 (2004)
[20] 宫崎骏,F。;久保田,S。;武田,M.W.,分形结构分裂环谐振器的太赫兹响应,应用。物理。快递,2001年7月5日(2012年)
[21] Edagawa,K。;Kanoko,S。;Notomi,M.,《具有3D光子带隙的光子非晶金刚石结构》,Phys。修订稿。,100, 013901 (2008)
[22] 瓦尔德尼,Z.V。;纳哈塔,A。;Agrawal,A.,《光子准晶体光学》,《自然光子》。,7, 177-187 (2013)
[23] 西格蒙德,O。;Hougaard,K.,《最佳光子晶体的几何特性》,Phys。修订稿。,100, 153904 (2008)
[24] 男性,H。;Lee,K.Y.K。;Freund,R.M。;佩雷尔,J。;Johnson,S.G.,三维光子晶体带隙结构的稳健拓扑优化,Opt。《快报》,22、19、22632(2014)
[25] 西格蒙德,O。;S、 J.J.,通过拓扑优化进行声子带隙材料和结构的系统设计,Philos。事务处理。R.Soc.伦敦。序列号。A、 36118061001-1019(2003)·Zbl 1067.74053号
[26] 鲁普,C.J。;Evgrafov,A。;莫特,K。;Dunn,M.L.,使用拓扑优化的表面波器件的声子材料/结构的设计,结构。多磁盘。最佳。,34, 2, 111-121 (2007) ·Zbl 1273.74405号
[27] Sigmund,O.,通过拓扑优化进行超材料的系统设计,151-159(2009),施普林格荷兰:施普林格荷属多德雷赫特·Zbl 1207.74111号
[28] 迪亚斯,A.R。;Sigmund,O.,负渗透超材料设计的拓扑优化方法,结构。多磁盘。最佳。,41, 163-177 (2010) ·Zbl 1274.74262号
[29] Otomori,M。;山田,T。;Izui,K。;西瓦基,S。;Andkjr,J.,基于水平集方法的负磁导率介质超材料设计拓扑优化方法,计算。方法应用。机械。工程,237-240,192-211(2012)·Zbl 1253.74083号
[30] Frandsen,L.H。;th,A.H。;Borel,P。;Kristensen,M。;Jensen,J.S。;Sigmund,O.,利用拓扑优化获得的宽带光子晶体波导60°弯曲,Opt。快递,12,24,5916-5921(2004)
[31] 弗雷,W.R。;Johnsona,H.T。;Choquette,K.D.,单缺陷光子晶体激光腔的优化,J.Appl。物理。,103, 033102 (2008)
[32] 弗雷·W·R。;Johnsona,H.T。;托托雷利,D.A.,光子纳米结构的优化,计算。方法应用。机械。工程,1973410-3416(2008)·Zbl 1159.74393号
[33] Fujii,G。;尤塔,T。;Mizuno,M.,基于水平集的抗反射表面拓扑优化,应用。物理。A、 116、3921-927(2014)
[34] Fujii,G。;尤塔,T。;Mizuno,M。;Nakamura,M.,使用结合表面效应的水平集表达式获得的拓扑优化多圆盘谐振器,Opt。快递,23,9,11312-11326(2015)
[35] 多布森特区。;Simeonova,L.B.,亚波长聚焦周期性复合材料结构的优化,应用。数学。最佳。,60, 133-150 (2009) ·Zbl 1283.78006号
[36] 松木,T。;山田,T。;Izui,K。;Nishiwaki,S.,局部共振声波材料的拓扑优化,Appl。物理。莱特。,104, 191905 (2014)
[37] 野口勇,Y。;山田,T。;Otomori,M。;Izui,K。;Nishiwaki,S.,《利用拓扑优化将纵波转换为横波的声波亚表面设计》,应用。物理。莱特。,107, 221909 (2015)
[38] 本德瑟,M.P。;Sigmund,O.,《拓扑优化:理论、方法和应用》(2003),Springer:Springer-Blin·Zbl 1059.74001号
[39] 山田,T。;Izui,K。;西瓦基,S。;Takezawa,A.,基于结合虚拟界面能量的水平集方法的拓扑优化方法,计算。方法应用。机械。工程师,1992876-2891(2010)·Zbl 1231.74365号
[40] 吴春云。;Tseng,K.-Y.,使用改进的二进制差分进化进行结构拓扑优化,结构。多磁盘。最佳。,42, 939-953 (2010)
[41] 卢,G.-C。;Chueh,C.-H.,使用免疫算法的结构多模态拓扑优化,计算。方法应用。机械。工程,1934035-4055(2004)·Zbl 1068.74054号
[42] 卢,G.-C。;Lin,C.-Y.,基于蚁群优化算法的结构拓扑优化,应用。柔软。计算。,9, 1343-1353 (2009)
[43] Lee,K.S。;Geem,Z.W.,一种基于和谐搜索算法的新型结构优化方法,Comput。结构。,82, 781-789 (2004)
[44] 卢,G.-C。;Lin,C.-Y。;Lin,Y.-S.,用于连续体结构拓扑优化的二进制粒子群优化,应用。柔软。计算。,11, 2833-2844 (2011)
[45] 王,S。;Tai,K.,使用位数组表示的遗传算法进行结构拓扑设计优化,计算。方法应用。机械。工程,194,3749-3770(2005)·Zbl 1131.74331号
[46] Sigmund,O.,关于非梯度方法在拓扑优化中的作用,结构。多磁盘。最佳。,43, 5, 589-596 (2011) ·Zbl 1274.74390号
[47] 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, 6, 1031-1055 (2013)
[48] Hansen,N。;Auger,A。;罗斯·R。;芬克,S。;Pošík,P.,比较来自黑盒优化基准测试bbob-2009的31种算法的结果,(Proc.GECCO-2010(2010),ACM),1689-1696
[49] Hansen,N。;Ostermeier,A.,《进化策略中任意正态变异分布的自适应:协方差矩阵自适应》(Proc.IEEE Int.Conf.Evol.Compute(1996)),312-317
[50] Hansen,N。;Ostermier,A.,《进化策略中的完全错乱的自我适应》,Evol。计算。,9, 2, 159-195 (2001)
[51] Hansen,N.,《CMA进化策略:比较评论》(走向新的进化计算(2006),Springer)
[52] N.Hansen,cma进化策略:教程,(cs.LG-stat.ML),2016年。arXiv:1604.00772;N.Hansen,《cma进化战略:教程》,(cs.LG-stat.ML),2016年。arXiv:1604.00772
[53] Akimoto,Y。;永田,Y。;小野,I。;小林,S.,《从信息几何角度看cma-es的理论基础》,《算法》,64,698-716(2012)·Zbl 1314.62091号
[54] Leonhardt,U.,《光学保角映射》,《科学》,3121777-1780(2006)·Zbl 1226.78001号
[55] 彭德里,J.B。;舒里格,D。;Smith,D.R.,《控制电磁场》,《科学》,3121780-1782(2006)·Zbl 1226.78003号
[56] Andkjr,J。;莫滕森,N.A。;西格蒙德,O。;全电介质,朝向。,面向全介质极化相关光学斗篷,应用。物理。莱特。,100, 101106 (2012)
[57] Andkjr,J。;Sigmund,O.,拓扑优化低对比度全介质光学斗篷,应用。物理。莱特。,98, 021112 (2011)
[58] G.Fujii,H.Watanabe,T.Yamada,T.Ueta,M.Mizuno,《光学斗篷基于水平集的拓扑优化》,应用。物理。莱特。102 (25). 网址:http://dx.doi.org/10.1063/1.4812471; G.Fujii,H.Watanabe,T.Yamada,T.Ueta,M.Mizuno,《光学斗篷基于水平集的拓扑优化》,应用。物理。莱特。102 (25). http://dx.doi.org/10.1063/1.4812471
[59] Otomori,M。;山田,T。;Andkjr,J。;Izui,K。;西瓦基,S。;Kogiso,N.,基于水平集的铁氧体材料电磁斗篷设计拓扑优化,IEEE Trans。马格纳。,49, 2081-2084 (2013)
[60] 山田,T。;Watanabe,H。;Fujii,G。;Matsumoto,T.,基于精确水平集方法的电介质光学斗篷拓扑优化,IEEE Trans。马格纳。,49, 5, 2073-2076 (2013)
[61] Kishimoto,N。;Izui,K。;西瓦基,S。;Yamada,T.,通过拓扑优化优化多介质材料电磁斗篷的优化设计,应用。物理。莱特。,110, 201104 (2017)
[62] 李,J。;Pendry,J.B.,《躲在地毯下:一种新的隐身策略》,Phys。修订稿。,101, 203901 (2008)
[63] Fujii,G。;Ueta,T.,基于层次集边界表达式的拓扑优化地毯斗篷,Phys。版本E,94,4,043301(2016)
[64] Hansen,N。;Kern,S.,评估多模态测试函数的cma进化策略,并行问题。解决自然问题——PPSN VIII,282-291(2004)
[65] Hansen,N。;尼德伯格,A.S.P。;古泽拉,L。;Koumoutsakos,P.,《处理进化优化中不确定性的方法及其在燃烧反馈控制中的应用》,IEEE Trans。进化。计算。,13, 1, 180-197 (2009)
[66] N.Hansen,《进化优化中处理不确定性的方法及其在燃烧反馈控制中的应用的勘误表/补遗》,2011年,网址:https://www.lri.fr/hansen/TEC2009online.pdf;N.Hansen,《进化优化中处理不确定性的方法及其在燃烧反馈控制中的应用的勘误表/补遗》,2011年,网址:https://www.lri.fr/汉森/TEC2009online.pdf
[67] Berenger,J.P.,吸收电磁波的完美匹配层,J.Comput。物理。,114, 185 (1994) ·Zbl 0814.65129号
[68] Bermúdez,A。;Hervella-Neeto,L。;Prieto,A。;Rodríguez,R.,《用于时间谐波声散射问题的具有无界吸收函数的最佳完全匹配层》,J.Compute。物理。,223, 469 (2007) ·Zbl 1115.76041号
[69] 牵牛星,http://www.altairhyperworks.com; 牵牛星,http://www.altairhyperworks.com
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。