流固耦合自重拓扑优化的区域包络线法

发布时间：2025-02-05 13:50

　　 针对变边界流固耦合条件下双向渐进结构优化算法中流体域/结构域不能快速转换的问题,提出了一种区域包络线更新法,并将这种方法用于处理变边界流固耦合自重拓扑优化设计问题。建立了有限元耦合方程,采用拉格朗日乘子法将重力载荷的影响引入到目标函数中,分析了单元灵敏度公式。以结构体积为约束条件,水中结构柔顺度最小化为目标,着重对比了传统方法和提出的区域包络线更新法的计算效率,并研究了外界压力载荷、结构自重和水压力对优化结果的影响。研究结果表明:区域包络线法实现了拓扑优化过程中耦合边界的快速迭代更新,数值稳定性较好,相比于常规方法,计算代价大大降低;结构自重和水压力对优化结果都有重要影响,实际工程应用中两种载荷都要着重考虑。

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【部分图文】：

图2流体域/结构域转换原理Fig.2Principleoffluiddomain/structuraldomainconversion(b)区域包络线法(regionalenvelopemethod)

2594应用力学学报第37卷Vicente采用循环遍历的方式识别出与初始流体域接触的失效单元，并将其转换为流体单元以实现流体域的更新。每次循环只能识别出一层与流体域相接触的失效单元，因此每存在一层与流体接触的结构失效单元，都需要重新判断流体单元与失效单元是否相邻，当网格较密时，计....

图5目标迭代历史Fig.5Iterationhistoryofobjective图5为目标函数和结构体积随着迭代优化过程

?窃?杓朴虻?30%，进出口压力加载采用乘大数法。图4为水压管道结构的最终优化结果，优化构型与承载力较好且省材料的经典桁架结构相近。图中流体域边缘即为区域包络线，随每一次迭代发生变化。当失效的结构单元被判别为在该区域内时，即被一次转换为流体单元，省去逐层更新法中逐层流体单元替换法....

图3压力管道结构Fig.3Pressurepipingsystem

，首先循环识别出失效单元与结构单元的接触边界，然后识别出失效单元与流体单元的接触边界，最后将这两条边界连接形成封闭的区域包络线，需要转换的失效单元均在这个曲线形成的区域内。在该区域内的失效单元仅需一次就可全部变成流体单元，而未与流体接触的失效单元则不会转换成流体单元。因而，区域包....

图4压力管道优化结果Fig.4Optimumresultsofpressurepipingsystem

.1压力管道优化为比较逐层更新法和区域包络线法计算效率，对图3给出的压力管道结构进行迭代优化。初始设计域为两个区域，设计域中间有一个L型管道。结构密度为2700kg/m3，杨氏模量为69GPa，泊松比为0.3，流体密度为1000kg/m3，流体、结构以及耦合单元厚度均为0.01m....

本文编号：4029935