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基于多相材料的稳态热传导结构轻量化设计
  • ISSN号:0459-1879
  • 期刊名称:《力学学报》
  • 时间:0
  • 分类:O343[理学—固体力学;理学—力学]
  • 作者机构:[1]华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,北京102206, [2]大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连116024
  • 相关基金:国家自然科学基金(11202078), 中央高校基本科研业务费专项基金(2014ZD16) 资助项目.
中文摘要:

在多相材料的结构拓扑优化问题中,通常给定各相材料体积约束或材料总重量约束作为材料的控制用量.在结构轻量化设计的实际工程背景下,以结构总重量最小化为目标的优化模型具有明确的工程意义.针对含多相材料的稳态传热结构拓扑优化问题,提出了以结构总重量最小化为目标和给定热柔顺度为约束的多工况连续体结构拓扑优化建模方法.遵循独立连续映射建模方式,采用两类独立拓扑变量分别表征单元热传导矩阵和单元重量状态.推导了热柔顺度和总重量对设计变量的敏度,基于一阶和二阶泰勒展开得到各自的近似表达式.通过求解偏微分方程,实现了约束函数一次项过滤,消除了棋盘格现象和网格依赖性问题,并保证了约束方程在过滤后严格成立.建立的近似优化模型具有二次函数形式的目标函数和一次函数形式的约束函数.基于对偶序列二次规划方法对优化模型进行求解直至收敛.通过四个三维结构数值算例分析对比了热柔顺度约束限值、不同材料混合及多工况、多约束条件对优化结果的影响.数值算例结果表明,本文提出的优化方法在基于多相材料的多工况稳态热传导结构轻量化设计中具有可行性和有效性.

英文摘要:

In topology optimization problems of structures containing multiphase materials,it is common practice to setthe volume constraint of each constituent phase or total mass of entire constituent phase constraint to control the finalmaterial usage.On the practical engineering background for lightweight design,it is of significance that the minimizedweight is taken as the objective in optimal model from the engineering point of view.To solve the topology optimizationproblem of steady heat conductive with the multiple candidate materials,a new modeling method of weight minimizationwith the given thermal compliance constraint under multiple load cases is proposed.Following the modeling mannerof independent continuous mapping method,two sets of independent topological variables are employed to identify elementalthermal conductive matrix and elemental weight,respectively.The sensitivities of thermal compliance and global weight with respect to the design variable are derived,and their approximate expressions are calculated based on thefirst-order and second-order Taylor expansion.To eliminate checkerboard patterns and mesh-dependence,the first term ofthe constraint function is filtered as a solution of the partial differential equation,which also ensures the constraint equationis consistent.The approximate optimal model with the objective and constraint in the form of quadratic and linearfunction is established.The topological optimization model is solved by dual sequential quadratic programming.Various effects such as the constraint value of thermal compliance,the selection of multiple materials,and the multiple constraintsin multiple load cases on the optimal result are discussed in four3D numerical examples.The results demonstrate thefeasibility and effectiveness of the proposed optimization approach regarding structural light design using multi-materialin steady heat conduction.

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期刊信息
  • 《力学学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国力学学会 中国科学院力学研究所
  • 主编:魏悦广
  • 地址:北京市海淀区北四环西路15号中科院力学所内《力学学报》
  • 邮编:100190
  • 邮箱:lxxb@cstam.org.cn
  • 电话:010-62536271
  • 国际标准刊号:ISSN:0459-1879
  • 国内统一刊号:ISSN:11-2062/O3
  • 邮发代号:2-814
  • 获奖情况:
  • 1992年首届自然科技期刊一等奖,1996年国家自然科技期刊二等奖,2000年首届国家期刊奖
  • 国内外数据库收录:
  • 美国数学评论(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:13332