基于稳态动力学响应的并行拓扑优化设计

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随着现如今科学技术的高速发展,各种机械设备趋于复杂化和大型化,对结构动力学方面的研究显得越来越重要,传统的试凑型设计方案已经无法满足当今结构设计的高性能要求,数据表示航天飞机坠毁的事故原因百分之九十都可以归结为结构的疲劳破坏,而动力学性能设计目前应用于各类航天飞行器,包括卫星和运载火箭,是高端机械设备性能提升至关重要的一个步骤,具有良好的动力学性质的结构广泛应用于降噪、减振等领域。优化作为一种结构设计手段,广泛应用于各类工业制造场景中,小到人体座椅的设计,大到运载飞机的减重,处处可见优化的身影。结构动力学优化研究主要分为特性优化和响应优化,动力学特性优化目标为结构固有频率和阵型,而响应优化目标为位移,速度,加速度等这些激励作用下的响应量。目前对动力学响应的研究大多局限于小规模,而随着现如今高性能计算机的发展,人们对计算方面的需求要求越来越高,这便催生了并行计算这一学科的快速发展,并行计算就是利用现有的并行多处理器资源,试图让以往运行在单核处理器的串行程序能够把CPU的全部核心利用起来达到多处理器同时计算,这样便能大大提高所需的计算效率,目前并行计算已经广泛应用于地理描述,气象预测以及图像融合等领域。本文对并行计算进行了研究,将并行计算和拓扑优化结合起来,利用现有的并行框架MPI,借助Petsc线性代数求解包使用C++编程语言设计出一套并行有限元程序来并行求解动力学响应问题。文章先是基于静力学SIMP法设计出并行柔度最小化的拓扑优化程序,之后将其扩展到动力学,推导出相对于静力学柔度的动柔度优化列式以及位移幅值最小化的优化列式,利用该优化列式借助自研的并行拓扑优化框架进一步设计出动力学稳态的拓扑优化程序,最后通过算例验证了自编程序可用性以及良好的收敛特性。
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