考虑特定制造约束的水平集拓扑优化方法

论文摘要

结构拓扑优化通过优化结构中材料的空间布局,能够设计出具有最优性能的新颖构型。近三十年来,科学技术的变革和人们对高性能、轻量化结构需求的不断增强,推动了拓扑优化的飞速发展。如今,拓扑优化已成为一种重要的结构设计技术,被广泛应用于科研和工程中的多个领域。拓扑优化得到的结构通常具有比较复杂的拓扑和形状。另一方面,每种制造工艺都要求结构的几何构型满足特定的可制造条件;而对于大型的复杂工程结构,除了考虑每个构件的可制造性之外,还需要考虑结构装配中一些特定的装配约束,这些特定制造工艺中的可制造条件和装配约束都是结构制造过程中的一些限制,可以统称为制造约束。拓扑优化结果主要用于产品的早期设计,一般需要经过尺寸、形状甚至拓扑构型的改动才能满足特定的制造约束,这也是限制拓扑优化进一步发展和应用的主要因素之一。因此,在拓扑优化过程中,考虑制造约束是十分必要的,这可以使得优化结果在具有优异性能的同时能通过特定的制造工艺或装配过程直接制造。然而,制造约束的引入通常使得求解的问题变成包含多约束甚至多类设计变量的拓扑优化问题,在拓扑优化中表示复杂的制造约束和发展更有效的拓扑优化方法成为求解该问题的主要难点。基于上述研究背景,本文开展了考虑特定制造约束的水平集拓扑优化方法的研究。具体工作包括:(1)提出了速度场水平集方法。其核心思想是将水平集的法向速度场表示为基函数和定义在给定点上的速度设计变量的乘积的形式。和传统的水平集方法相比,该方法将基于边界变分的形状优化问题映射到有限维设计空间,使其可以利用成熟的数学规划算法寻求最优的法向速度场,并在水平集框架下更高效地求解包含多约束和多类设计变量的结构拓扑优化问题。同时,水平集函数的更新仍然是通过求解法向速度场驱动的哈密顿雅可比方程来实现的,因此,该方法继承了传统水平集方法隐式描述的优点和提取结构几何特征的能力。本文将该方法应用于双尺度并发结构拓扑优化的设计,建立了一种将密度法和速度场水平集方法相结合的双尺度优化框架,并发地设计多种单胞的微观构型和其在宏观结构中的分布。(2)提出了考虑多组件最小距离约束的拓扑优化设计方法。如航天器等许多复杂的工程结构通常需要内嵌一些特定形状的组件,用于实现某些功能或满足制造和装配的要求。为了避免相互干扰,组件之间需要满足特定的最小距离约束。本文基于速度场水平集方法,提出了一种结构拓扑和组件布局联合优化的设计框架;同时利用水平集函数符号距离性质,将多组件间复杂的最小距离约束等价为具有统一表达形式的体积约束,避免了直接求解组件间距离的困难,并且该约束形式在组件形状较为复杂、数量较多时也适用。(3)建立了考虑几何相关制造约束的水平集拓扑优化设计框架。本文充分利用水平集模型描述几何特征的优势,提出了将铸造中的拔模约束和增材制造中的悬空角约束等几何相关的制造约束表示为积分型几何约束形式,并且可以作为一个额外的约束条件直接添加到拓扑优化模型中,使优化结果在具有优异性能的同时自动地满足特定的可制造条件。本文提出的制造约束具有统一和相对简单的形式,有利于其在拓扑优化中的实现和灵敏度分析。(4)提出了基于水平集模型的壳体填充结构拓扑优化方法。壳体填充结构在工程中的应用十分广泛,先进制造工艺的发展为其提供了更大的设计空间。本文研究了具有均一壳体厚度的壳体填充结构拓扑优化,仅用一个水平集函数就可以描述两种固体材料的分布。水平集模型可以在优化中精确地描述壳体的厚度,同时确保优化结果具有清晰光滑的材料边界。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王亚光

导师: 亢战

关键词: 拓扑优化,速度场水平集方法,制造约束,多组件结构,双尺度结构并发拓扑优化,壳体填充结构

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,机械工业

单位: 大连理工大学

分类号: O224;TH16

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.003565

总页数: 187

文件大小: 19551K

下载量: 128

相关论文文献

• [1].一种双水平集模型分割左心室膜的方法[J]. 计算机应用研究 2020(02)
• [2].基于改进水平集模型的黄海绿潮提取算法研究[J]. 江西农业学报 2020(06)
• [3].基于双区域演化水平集的图像分割方法[J]. 电子测量技术 2016(09)
• [4].基于水平集算法的唇象分割[J]. 科技视界 2015(12)
• [5].基于圆形约束快速水平集的原生质体细胞分割[J]. 中国图象图形学报 2013(01)
• [6].一种改进的高效粒子水平集法及其应用[J]. 西安交通大学学报 2011(11)
• [7].基于图割与改进水平集的目标提取方法[J]. 计算机工程 2010(22)
• [8].结合区域生长与水平集算法的宫颈癌图像分割[J]. 电子测量与仪器学报 2020(09)
• [9].基于水平集的纳米颗粒分割方法[J]. 计算机时代 2017(03)
• [10].一种改进的凸变分水平集模型在图像分割中应用[J]. 现代电子技术 2017(11)
• [11].基于聚类和改进型水平集的图像分割算法[J]. 计算机科学 2017(S1)
• [12].基于可变区域拟合水平集算法的改进[J]. 电子测试 2016(11)
• [13].基于水平集的热红外运动人体目标分割算法(英文)[J]. 红外与毫米波学报 2014(01)
• [14].水平集和无网格耦合法在裂纹扩展中的应用[J]. 岩土力学 2012(11)
• [15].融合多尺度分析和水平集的交互式图分割方法[J]. 电子与信息学报 2012(09)
• [16].随机漫步中一些水平集的分形维数[J]. 数学物理学报 2009(02)
• [17].基于多水平集的植物图像分割[J]. 福建农林大学学报(自然科学版) 2009(03)
• [18].多相位水平集高分辨率遥感影像非监督分类[J]. 测绘通报 2009(09)
• [19].遗传算法应用于水平集模型实现图像分割参数的选取[J]. 云南大学学报(自然科学版) 2009(S1)
• [20].水平集法在多相材料细观结构优化中的应用[J]. 航空动力学报 2008(08)
• [21].改进水平集模型的海岛边界快速分割方法研究[J]. 计算机科学与探索 2019(07)
• [22].面积项能量加强的距离规则水平集演化模型[J]. 图学学报 2018(01)
• [23].基于偏移场的双水平集医学图像分割算法[J]. 无线电通信技术 2017(04)
• [24].基于聚类与局部统计的水平集医学图像分割[J]. 计算机工程与设计 2016(11)
• [25].结合边界和区域的水平集超声图像分割算法[J]. 激光杂志 2013(06)
• [26].多相水平集协同空间模糊聚类图像多目标分割[J]. 机械工程学报 2013(20)
• [27].基于水平集分割的3DOGHM检测算法[J]. 计算机工程 2010(07)
• [28].积分水平集的多目标规划[J]. 计算机工程与应用 2008(35)
• [29].基于半隐式格式的水平集法连续体结构形状和拓扑优化方法[J]. 固体力学学报 2008(02)
• [30].结合水平集和分水岭的粘连岩石图像分割[J]. 信息通信 2018(03)

标签：拓扑优化论文;  速度场水平集方法论文;  制造约束论文;  多组件结构论文;  双尺度结构并发拓扑优化论文;  壳体填充结构论文;