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面向连续体结构拓扑优化的分区密度修正敏度过滤方法研究

张国锋 徐雷 王鑫 李大双

张国锋,徐雷,王鑫, 等. 面向连续体结构拓扑优化的分区密度修正敏度过滤方法研究[J]. 机械科学与技术,2022,41(11):1641-1649 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200502
引用本文: 张国锋,徐雷,王鑫, 等. 面向连续体结构拓扑优化的分区密度修正敏度过滤方法研究[J]. 机械科学与技术,2022,41(11):1641-1649 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200502
ZHANG Guofeng, XU Lei, WANG Xin, LI Dashuang. Partition Density Modified Sensitivity Filtering Method for Topology Optimization of Continuum Structure[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(11): 1641-1649. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200502
Citation: ZHANG Guofeng, XU Lei, WANG Xin, LI Dashuang. Partition Density Modified Sensitivity Filtering Method for Topology Optimization of Continuum Structure[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(11): 1641-1649. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200502

面向连续体结构拓扑优化的分区密度修正敏度过滤方法研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200502
基金项目: 四川省智能制造重大专项(2017ZB073)
详细信息
    作者简介:

    张国锋(1994−),硕士研究生,研究方向为计算机辅助设计制造、智能制造,ZhangGuofeng0603@163.com

    通讯作者:

    徐雷,副教授,硕士生导师,博士, xulei@scu.edu.cn

  • 中图分类号: TH112

Partition Density Modified Sensitivity Filtering Method for Topology Optimization of Continuum Structure

  • 摘要: 变密度法因设计变量少、效率高等优点,已成为解决连续体结构拓扑优化问题的一种有效方法。传统变密度法在优化过程中常出现数值不稳定问题,其优化结果常具有灰度单元,使得优化模型提取较为困难。Sigmund敏度过滤方法虽然能有效减少数值不稳定现象,但该方法容易产生边界扩散的问题,不具备良好的可制造性。为得到边界清晰的拓扑优化结果,提出一种面向连续体结构的分区密度修正敏度过滤方法,该方法将原过滤区域进行划分,采取新的复合卷积因子对不同区域处理,进一步采用一种带有预设密度修正权值的方法,有效弱化边界扩散的问题。通过对多个算例及不同处理方法进行比较分析,验证该方法的可行性及稳定性。
  • 图  1  设计域与单元密度

    图  2  变密度法密度插值函数模型

    图  3  Sigmund敏度过滤示意图

    图  4  rmin=5时拓扑优化结果

    图  5  敏度过滤区域划分示意图

    图  6  不同β值多指标分析示意图

    图  7  分区域因子修正参数k一定λ变化曲线

    图  8  分区域因子修正参数λ一定k变化曲线

    图  9  分区域因子修正参数λk均变化曲线

    图  10  算例1模型示意图

    图  11  算例1不同优化方法结果对比

    图  12  算例2模型示意图

    图  13  算例2拓扑优化优化结果

    图  14  算例2不同方法迭代曲线示意图

    图  15  算例3模型示意图

    图  16  算例3拓扑优化优化结果

    图  17  算例4模型示意图

    图  18  算例4拓扑优化优化结果

    表  1  不同参数计算结果

    kλ迭代次数柔度值离散率/%灰度率/%
    1 0.3 96 79.0042 1.076 1.889
    0.4 86 78.9768 1.196 2.332
    0.5 93 79.4472 1.336 2.557
    0.6 63 79.5954 1.617 2.889
    0.7 87 79.4244 1.458 2.556
    2 0.3 102 79.0653 0.757 1.111
    0.4 100 79.0425 0.698 1.000
    0.5 97 78.9228 0.761 1.111
    0.6 94 79.0349 0.819 1.444
    0.7 68 79.0741 1.185 1.666
    3 0.3 74 79.2295 0.902 1.111
    0.4 69 79.2480 1.012 1.223
    0.5 105 79.1645 0.882 1.223
    0.6 98 79.1335 0.932 0.889
    0.7 99 79.0865 0.806 1.222
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    表  2  算例1不同处理方法拓扑优化结果

    处理方法迭代次数柔度值离散率/%
    变密度法 49 87.5797 25.286
    文献[10] 221 77.0560 1.156
    文献[14] 148 77.9700 1.260
    文献[15] 112 78.6197 1.252
    文献[16] 137 79.3100 1.420
    本文方法 97 78.9228 0.761
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    表  3  算例2优化结果

    序号处理
    方法
    网格
    划分
    过滤
    半径
    迭代
    次数
    柔度值离散
    率/%
    灰度
    率/%
    a变密度法120×8036434.452911.89217.753
    b本文方法120×8036633.34380.4000.457
    c120×8025133.60560.3100.209
    d120×8059133.14210.4650.416
    e60×4039632.96730.7451.000
    f180×120311533.77900.2230.130
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    表  4  算例3优化结果

    处理方法迭代次数柔度值离散率/%灰度率/%
    变密度法3762.784610.2518.864
    本文方法6660.35870.6060.782
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    表  5  算例4优化结果

    处理方法迭代次数柔度值离散率/%灰度率/%
    变密度法9316.87297.19211.863
    本文方法9416.65600.3910.412
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  • 收稿日期:  2020-12-18
  • 刊出日期:  2023-02-04

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