針對變邊界流固耦合條件下雙向漸進結構優(yōu)化算法中流體域/結構域不能快速轉換的問題,提出了一種區(qū)域包絡線更新法,并將這種方法用于處理變邊界流固耦合自重拓撲優(yōu)化設計問題。建立了有限元耦合方程,采用拉格朗日乘子法將重力載荷的影響引入到目標函數中,分析了單元靈敏度公式。以結構體積為約束條件,水中結構柔順度最小化為目標,著重對比了傳統方法和提出的區(qū)域包絡線更新法的計算效率,并研究了外界壓力載荷、結構自重和水壓力對優(yōu)化結果的影響。研究結果表明:區(qū)域包絡線法實現了拓撲優(yōu)化過程中耦合邊界的快速迭代更新,數值穩(wěn)定性較好,相比于常規(guī)方法,計算代價大大降低;結構自重和水壓力對優(yōu)化結果都有重要影響,實際工程應用中兩種載荷都要著重考慮。

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【部分圖文】：

圖2流體域/結構域轉換原理Fig.2Principleoffluiddomain/structuraldomainconversion(b)區(qū)域包絡線法(regionalenvelopemethod)

2594應用力學學報第37卷Vicente采用循環(huán)遍歷的方式識別出與初始流體域接觸的失效單元，并將其轉換為流體單元以實現流體域的更新。每次循環(huán)只能識別出一層與流體域相接觸的失效單元，因此每存在一層與流體接觸的結構失效單元，都需要重新判斷流體單元與失效單元是否相鄰，當網格較密時，計....

圖5目標迭代歷史Fig.5Iterationhistoryofobjective圖5為目標函數和結構體積隨著迭代優(yōu)化過程

?竊?杓樸虻?30%，進出口壓力加載采用乘大數法。圖4為水壓管道結構的最終優(yōu)化結果，優(yōu)化構型與承載力較好且省材料的經典桁架結構相近。圖中流體域邊緣即為區(qū)域包絡線，隨每一次迭代發(fā)生變化。當失效的結構單元被判別為在該區(qū)域內時，即被一次轉換為流體單元，省去逐層更新法中逐層流體單元替換法....

圖3壓力管道結構Fig.3Pressurepipingsystem

，首先循環(huán)識別出失效單元與結構單元的接觸邊界，然后識別出失效單元與流體單元的接觸邊界，最后將這兩條邊界連接形成封閉的區(qū)域包絡線，需要轉換的失效單元均在這個曲線形成的區(qū)域內。在該區(qū)域內的失效單元僅需一次就可全部變成流體單元，而未與流體接觸的失效單元則不會轉換成流體單元。因而，區(qū)域包....

圖4壓力管道優(yōu)化結果Fig.4Optimumresultsofpressurepipingsystem

.1壓力管道優(yōu)化為比較逐層更新法和區(qū)域包絡線法計算效率，對圖3給出的壓力管道結構進行迭代優(yōu)化。初始設計域為兩個區(qū)域，設計域中間有一個L型管道。結構密度為2700kg/m3，楊氏模量為69GPa，泊松比為0.3，流體密度為1000kg/m3，流體、結構以及耦合單元厚度均為0.01m....

本文編號：4029935