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北京力学会第18届学术年会论文集:计算力学
过滤函数间关系对拓扑优化效率影响的初步研究1
尚珍 隋允康2 铁军 叶红玲
(北京工业大学机电学院工程数值模拟中心,100124)
摘要:本文针对ICM方法中幂函数形式的重量过滤函数和刚度过滤函数之间的关系,建立
以重量为目标,应力和位移共同约束下的连续体结构拓扑优化模型。通过经典算例说明过
滤函数对拓扑优化效率的影响。表明该研究对进一步研究结构拓扑优化有重要的意义.
关键词:过滤函数,幂函数,拓扑优化,ICM方法
ICM(独立、连续、映射)方法‘11中,近年来虽然对不同形式的过滤函数有所研究,
但针对不同过滤函数间的关系并没有明确的结论。本文利用均匀化理论和ICM方法,
以幂函数为例探讨不同过滤函数之间的关系。并为了进一步研究该结论对结构拓扑优化
的影响,本文同时考虑应力和位移约束的作用,建立和求解连续体结构拓扑优化模型,
通过算例说明过滤函数对拓扑优化效率的影响。
一、重量过滤函数与对应的刚度过滤函数之间的不变量
设已经求得了重量过滤函数和与其对应的刚度过滤函数分别为:
元(t)--t%^。(f)=t% (1)
当口wl变为口w,时,口岛随之变为口屯,口吨与口女:分别为下两式的幂指数:
^,O)=t%以,(f)=t% (2)
利用均匀化方法的思想,结合ICM方法中一些原有的关于过滤函数的理论及现有
的数学理论方法进行推演,可以得出:对于确定的口w.、口七1和任意给定的口吡,则重
口。 口
量过滤函数与对应的刚度过滤函数之间的不变量为—生=—∑。
口12 口w2
二、连续体结构拓扑优化模型
为了更进一步研究该结论对结构拓扑优化的意义,本文采用幂函数为过滤函数的
ICM方法,建立了以重量为目标,应力和位移共|一约束下的连续体结构拓扑优化模型。
对应力约束采用应力全局化的思想进行转化,位移约束采用单位虚载荷法进行显式化。
则以结构重量最轻为目标的拓扑优化模型为:
求t=k…,t。}
使形(t)=∑W,O。--)rain
s.t.盯f,(t)≤万
z,,,(t)≤瓦
0≤t,≤1(,=l,…,L;r=1,…,R)
其中,t=矗l,…,f。)T为拓扑向量,Ⅵ为第f个单元的重量,w,o为第f个单元的固有重
1摹金项目:国家自然科学基金、大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室基金项
目(GZ0819)资助
2通讯作者:ysui@bjut.edu.cn
Ⅵ.75
n京女学会第18月学术年套论主集计算^学
鼍.口Ⅱ为,工况下第i个单元的Mis船J衄力,孑为单元许用应』,“H为,工况下第r号
位移约束,记为位移约束上限.£为丁况总数,R为定义的位移约束总数。
三、数值算例
本文采用对偶映射F的序列二次捌划,摹于MSC/Patran软件平台,对模型进行求
解。
如图所示,基结构为lOOmm×240mm的等厚均匀薄板,厚度为9rtml。材料的弹性
89GPa,泊松比v=0
常数分别为:材料弹性模量E-68 3。整个结构划丹为48×20个。4
单元,一个集中载荷F=15600N作用于右边界中点位置。为避免应力集rp的影响,将载
荷分散在右边界中间相邻的二个节点上。左边界周支,许用应力o=155MPa,密度为p
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