基于光滑有限单元法的拓扑优化

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本文将节点光滑有限单元法和节点密度法结合,提出了一种解决连续体拓扑优化问题的新方法,并给出了详细的优化列式和算法。近年来,刘桂荣等人提出了光滑有限单元法(SFEM)的概念,其相对于传统的有限单元法(FEM)对特定问题能够获得更高的求解精度,同时在网格划分上更加的灵活,其中节点光滑有限单元法可以给出位移解的上限值。在节点密度法中,单元内部的位移场和密度场具有C0连续性,这种密度分布呈空间变化的性质可以有效地克服棋盘格现象。  本文在Matlab@平台上实现了将节点光滑有限单元法和节点密度法结合以求解连续体结构拓扑优化问题。在本文中,描述结构拓扑的密度场的离散独立于位移场网格。位移场采用节点光滑有限单元法(NS-FEM)计算,结构拓扑使用基于节点密度设计变量插值构造的密度场进行描述。应用Shepard插值函数构造设计域内的密度分布。应用SIMP方法处理中间密度值,同时优化问题采用MMA算法迭代更新设计变量值。数值算例研究了在不采取任何类似于灵敏度过滤等的措施(可克服一些数值不稳定现象)的前提下的拓扑优化问题,通过分析比较优化结果得出结论:⑴将光滑有限单元法与节点密度法结合起来求解结构拓扑优化问题是可行的,其拓扑结果没有出现棋盘格现象和孤岛效应等数值不稳定现象。⑵基于“以中心节点的密度值代表整个光滑子域的密度值”的假设,通过探讨位移场和密度场节点的分布规律,并分析比较数值算例结果,给出了两种场理想的节点分布原则。数值算例验证了该方法的正确性和有效性。
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