Abstract ：

著名的英国物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell，1831—1879)在力学上也具有多种开创性的贡献，其中的桁架结构布局优化研究，属于至今方兴未艾的研究热点——结构拓扑优化的范畴，而麦克斯韦早在100多年前就首次提出来了。由于时间久远，麦克斯韦对桁架这类离散结构布局优化的贡献时间，国内相当多的一些涉及研究结构优化的专著、教科书和期刊的文章中，各自将其列为1864年、1870年、1872年和1890年等等，真是莫衷一是，不一而足。多数人，包括笔者，未曾想这个时间点会有这么多的说法，乃至以讹传讹，浑不知晓。当我们产生一念，想了解麦克斯韦在什么年纪做出这么重大的发现时，令我们瞠目结舌的是，1890年是他去世11年之后了！于是查文献，发现国外记录麦克斯韦对离散结构布局优化贡献的时间也很不一致，比如Michell，Rozvany和Makoto Ohsaki分别认为该时间是1890年、1872年和1894年，于是产生了力学史中棘手的一桩公案。通过多方查阅麦克斯韦的原文和出处，分析判断，认为1872年是合理的，厘清这桩公案对力学史和方法论的研究必定有所裨益。

Keyword ：

贡献时间 力学史与方法论 离散结构布局优化 麦克斯韦

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

This paper presents a deep learning-based topology optimization method for the joint design of material layout and fiber orientation in continuous fiber-reinforced composite structure (CFRCS). The proposed method mainly includes three steps: (1) a ResUNet-involved generative and adversarial network (ResUNet-GAN) is developed to establish the end-to-end mapping from structural design parameters to fiber-reinforced composite optimized structure, and a fiber orientation chromatogram is presented to represent continuous fiber angles; (2) to avoid the local optimum problem, the independent continuous mapping method (ICM method) considering the improved principal stress orientation interpolated continuous fiber angle optimization (PSO-CFAO) strategy is utilized to construct CFRCS topology optimization dataset; (3) the well-trained ResUNet-GAN is deployed to design the optimal structural material distribution together with the corresponding continuous fiber orientations. Numerical simulations for benchmark structure verify that the proposed method greatly improves the design efficiency of CFRCS along with high design accuracy. Furthermore, the CFRCS topology configuration designed by ResUNet-GAN is fabricated by additive manufacturing. Compression experiments of the specimens show that both the stiffness structure and peak load of the CFRCS topology configuration designed by the proposed method have significantly enhanced. The proposed deep learning-based topology optimization method will provide great flexibility in CFRCS for engineering applications. © The Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2024.

Keyword ：

Fiber-reinforced composite structure Generative and adversarial networks Additive manufacturing Topology optimization

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

本文把ICM方法中的过滤函数和变密度方法中的惩罚函数统称为映射函数，研究了该函数的选取问题，探讨了其选取对于结构拓扑优化优化迭代收敛效率的影响.为此，本文提出了高效率收敛的映射函数构造途径，写出了5类常见的具体映射函数形式，提出同高效率收敛映射函数MFHEC(Mapping function with highly efficient convergence)相配套的优化模型和寻优解法，先是自行比较了同类映射函数的过滤函数和准过滤函数寻优中收敛的快慢，然后相互比较了不同形式映射函数的快滤函数寻优收敛的快慢.以ICM方法求解位移约束下结构体积极小的拓扑优化问题为例，通过数值计算比较，印证了MFHEC函数的高效率收敛性.结果表明：同类函数比较中，快滤函数的收敛速度更快；5种不同类型映射函数比较中，幂函数形式的过滤函数收敛速度更快.最后需要强调的是：本文研究的映射函数的结论，包括ICM方法的过滤函数和变密度方法中的惩罚函数，二者都是同样适用的.

Keyword ：

求解效率 映射函数 ICM方法 结构拓扑优化

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

随着现代通信的不断进步和微电子产业的迅速发展,电子产品小型化和高密度化逐渐成为主流趋势,有源相控阵天线的收发组件,作为雷达重要组成部分和高温组件,其散热性能为目前雷达散热中研究的重点。本文以有源相控阵天线中以低温共烧陶瓷材料(LTCC)作为基板的收发组件散热为研究对象,通过在收发组件上方添加液冷散热的方式进行辅助散热,改善收发组件散热问题。通过COMSOL Multiphysics软件使用二维密度拓扑优化的方式,以压降与平均温度为优化目标获取流道几何模型、温度与流体特性结果,并于传统直通型流进行对比。结果表明拓扑优化后热源位置温度有较好的改善。

Keyword ：

LTCC T/R组件 拓扑优化 微流道

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

本文提出了一种节点拓扑变量非耦合映射的ICM方法:取节点拓扑变量,建立了一种双线性形函数插值的变量非耦合映射,推导建立了可分离的优化模型,采用基于变量可分离的二阶对偶规划算法求解。以位移约束下结构体积极小问题为例,验证了本方法的有效性。研究成果不仅推动了ICM方法的发展,而且对节点变量变密度的也有参考的裨益。

Keyword ：

节点拓扑变量 ICM方法 变量非耦合 结构拓扑优化

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

受设计工作范围分工和责任的制约,风电机组设备厂商和风电场建设单位分别设计塔筒和导管架,这种分离式设计通过塔筒底部载荷传递并反复迭代确定结构型式及尺寸.此外,现有的海上风电机组导管架设计参考海洋石油平台等规范,忽略了海上风电机组的受力特点.上述两层原因较大程度上制约了支撑结构的力学性能,且设计迭代次数较多,并无法准确获取整体结构的动态响应.为解决上述问题,提出基于拓扑优化的导管架结构设计方法,并通过改变塔筒和导管架分界面位置,即扩大拓扑优化设计空间进一步提高结构性能.选取NREL 5 MW海上风电机组为研究对象,分别对比参考结构、拓扑优化结构和一体化设计结构的固有频率和不同极限工况下的最大变形.结果证明了所提出支撑结构一体化设计方法的有效性和优越性.

Keyword ：

拓扑优化 结构优化 海上风电机组 一体化设计 塔筒 导管架

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

文章提出了节点拓扑变量一种非耦合映射的ICM方法,对于结构拓扑优化问题予以建模和求解:首先将基结构划分为由较小单元组成的网格,取节点独立、连续的拓扑变量,建立了一种双线性形函数插值的变量非耦合映射,替代了单元独立连续拓扑变量,使单元的"有"或"无"连续化近似,实现了节点拓扑变量过滤识别与物理量的单元内插值,推导建立了节点拓扑设计变量的优化模型,采用基于变量可分离的二阶对偶规划算法求解,并且改进了最优拓扑构型的圆整技术.接着以常见的位移约束下结构重量(或体积)极小拓扑优化问题为例,演示了上述建模及求解过程.最后分别给出了单载荷工况和多载荷工况下的位移约束拓扑优化的算例,数值计算结果验证了本方法的有效性.研究有如下优点:克服了以往基于单元拓扑变量研究的缺陷,即最优结构边界为锯齿形,得到的最优结构的拓扑边界光滑清晰;给出了节点拓扑变量和单元拓扑函数场定义,提炼出构造该场必须遵循的 5 点准则,克服了节点拓扑ICM方法有关研究中存在的不足;得到节点设计变量不再是耦合关系,可以方便地求出结构物理量的二阶导数,从而利用变量可分离对偶优化算法进行高效的寻优;研究成果不仅丰富了ICM方法的内涵,推动了其发展,而且对变密度的节点拓扑方法也有参考的裨益.

Keyword ：

变量非耦合 结构拓扑优化 节点拓扑变量 ICM方法

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

确保结构安全是力学在工程应用中永远关心的问题,为此,综述了结构安全观念的进化过程,将其划分为5 个阶段:其一、从材料的永驻安全到材料的常驻安全,这是观念的滥觞;其二,从材料的尽驻安全到构件的尽驻安全,这是观念的渐变;其三,从构件的尽驻安全到结构的破损-安全,这是观念的飞跃;其四,基于破损-安全的结构截面与形状优化,这是观念的叠加;其五,基于破损-安全的结构拓扑优化,这是观念的昇华.由于第五阶段是学者们在当前最关注的研究之一,对此着墨颇多,且举出了有代表性的理论和算例.接着,又在观念的启迪和观念本质上,进行了两方面的展开:其一,从基于破损-安全的结构分析和结构优化,讨论了观念的启迪,启迪1 是,遵循破损-安全设计原则而不放弃安全-经济设计原则,启迪2 是,沿袭超静定结构的感性设计经验上升到理性生成冗余区域的阶段;其二,从结构在役破损-安全的时间与空间剖析,讨论了观念的本质,并且给出了清晰的列表.

Keyword ：

结构分析和优化 发展历程 基于破损-安全的结构拓扑优化 结构安全观念

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

疲劳破坏是结构破坏的主要形式,考虑疲劳性能的结构拓扑优化设计具有重要的意义,但是,大多疲劳拓扑优化的研究都是针对各向同性材料,因此,研究考虑各向异性材料的疲劳拓扑优化设计方法是十分有必要的。本文基于ICM方法提出了正交各向异性材料疲劳拓扑优化设计方法,建立了以单元的疲劳寿命为约束、结构质量最小为目标的疲劳拓扑优化模型,通过过滤函数建立了对单元材料参数的识别式,利用准则法对模型进行求解,并通过数值算例验证了该方法的有效性和可行性,为考虑疲劳性能的工程结构设计提供了理论依据。

Keyword ：

疲劳寿命 正交各向异性材料 拓扑优化 ICM方法

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

在考虑破损-安全连续体结构拓扑优化求解过程中,每步迭代所涉及的结构分析次数占据着整个优化过程计算工作量的主导地位,这促使研究者寻找高效的解法和可行的优化策略以减少在结构分析中投入的计算量。本文基于独立连续映射(ICM)方法中拓扑变量独立于单元物理属性的特点,提出了筛选破损工况优化策略,该策略可以在不影响拓扑结果的基础上缩短优化时长、显著提高拓扑优化效率,该策略对考虑破损-安全的连续体结构拓扑优化领域具有指导意义。优化算例验证了本文策略的合理性和可行性。

Keyword ：

连续体拓扑优化 ICM方法 优化效率 破损-安全

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。