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        基于多相材料的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計1)

        2017-03-21 10:52:10
        力學(xué)學(xué)報 2017年2期
        關(guān)鍵詞:重量約束變量

        龍 凱 王 選 韓 丹

        ?(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京102206)

        ?(大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室,遼寧大連116024)

        基于多相材料的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計1)

        龍 凱?,2)王 選?韓 丹?

        ?(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京102206)

        ?(大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室,遼寧大連116024)

        在多相材料的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題中,通常給定各相材料體積約束或材料總重量約束作為材料的控制用量.在結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的實際工程背景下,以結(jié)構(gòu)總重量最小化為目標的優(yōu)化模型具有明確的工程意義.針對含多相材料的穩(wěn)態(tài)傳熱結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題,提出了以結(jié)構(gòu)總重量最小化為目標和給定熱柔順度為約束的多工況連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化建模方法.遵循獨立連續(xù)映射建模方式,采用兩類獨立拓撲變量分別表征單元熱傳導(dǎo)矩陣和單元重量狀態(tài).推導(dǎo)了熱柔順度和總重量對設(shè)計變量的敏度,基于一階和二階泰勒展開得到各自的近似表達式.通過求解偏微分方程,實現(xiàn)了約束函數(shù)一次項過濾,消除了棋盤格現(xiàn)象和網(wǎng)格依賴性問題,并保證了約束方程在過濾后嚴格成立.建立的近似優(yōu)化模型具有二次函數(shù)形式的目標函數(shù)和一次函數(shù)形式的約束函數(shù).基于對偶序列二次規(guī)劃方法對優(yōu)化模型進行求解直至收斂.通過四個三維結(jié)構(gòu)數(shù)值算例分析對比了熱柔順度約束限值、不同材料混合及多工況、多約束條件對優(yōu)化結(jié)果的影響.數(shù)值算例結(jié)果表明,本文提出的優(yōu)化方法在基于多相材料的多工況穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中具有可行性和有效性.

        拓撲優(yōu)化,多相材料,穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),獨立連續(xù)映射法,序列二次規(guī)劃

        引言

        自Bendsoe和Kikuchi[1]提出連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法以來,各類方法如均勻化法、基于固體各向同性懲罰(solid isotropic material with penalization,SIMP)模型的變密度法、雙向進化法 (bi-directional evolutionary structural optimization,BESO)、水平集法、相場法、可動變形構(gòu)件法等被相繼提出,各類方法在不同時間階段的發(fā)展可參考綜述類文獻[2-6].作為結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的工具,拓撲優(yōu)化方法不僅在機械或力學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用,傳熱結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法研究也得以開展,尤其在航空、電氣、電子產(chǎn)品研發(fā)中的需求日益緊迫.Li等[7-8]較早應(yīng)用BESO方法實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計.在SIMP方法和水平集方法中,類似的研究有所體現(xiàn)[9-11].在優(yōu)化模型方面,劉書田等[12-14]提出溫度方差、幾何平均溫度最小化模型,給出了熱載荷相關(guān)和克服BESO法敏度誤差的解決方案,實現(xiàn)了自發(fā)熱體冷卻的內(nèi)置導(dǎo)熱路徑最優(yōu)設(shè)計.高彤等[15]提出了設(shè)計變量相關(guān)熱載荷作用下的BESO方法.莊春剛等[16-18]提出了瞬態(tài)熱傳導(dǎo)拓撲優(yōu)化的全局衡量指標,采用SIMP法和水平集法實現(xiàn)了基于三角形網(wǎng)格、單點溫度約束和多相材料的瞬態(tài)傳熱結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計.

        除了傳統(tǒng)的材料布局優(yōu)化問題外,Thomsen[19]較早研究了多相材料結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化問題.Sigmund和Torquato[20]運用多相材料實現(xiàn)了負熱膨脹系數(shù)的材料微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.早期的多相材料研究多采用SIMP法,其后在水平集法[21-25]、相場法[26-27]和BESO法[28-29]中也有所體現(xiàn).Yin等[30]提出了峰值函數(shù)法,用單變量描述多相材料屬性以減少設(shè)計變量數(shù)目.高彤等[31-33]提出了線性對等混合材料插值模型,實現(xiàn)了重量約束下的多相材料布局優(yōu)化,方法具有變量可分離特征.賈嬌等[34]將該重量約束模型推廣到多相材料/結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計中.Tavakoli和Mohseni[35]將多相布局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為序列兩相材料優(yōu)化問題進行求解.Ramani[36-37]提出了離散變量的多相材料拓撲優(yōu)化方法.左文杰等[38]考慮了重量和成本約束,提出了序列SIMP方法.

        隋允康[39]于1996年提出獨立連續(xù)映射(independent continuous mapping,ICM)法,該方法以獨立于單元具體物理參數(shù)的變量表征單元的有無.區(qū)別于其他方法,拓撲變量的獨立性主要體現(xiàn)在拓撲變量與物理量間的關(guān)系上,并涌現(xiàn)出磨光函數(shù)、過濾函數(shù)等新概念[40].其次,ICM方法以重量最小化為目標,將應(yīng)力、節(jié)點位移、頻率為約束并納入到序列二次規(guī)劃求解體系下,處理多約束問題上具有穩(wěn)健高效的優(yōu)點.基于對約束條件的理性處理,提出全局應(yīng)力概念并解決了強度拓撲優(yōu)化問題[41-42].近年來ICM方法研究成果集中體現(xiàn)在專著[43]中.

        目前,多相材料的布局優(yōu)化通常采用各相材料多體積比約束或所有相材料的總重量約束建立優(yōu)化模型,而以重量最小化為目標的拓撲優(yōu)化模型具有明確的工程意義.本文將針對穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)拓撲優(yōu)化問題,基于ICM方法建立多相材料布局的拓撲優(yōu)化模型,定義兩類獨立拓撲變量以表征單元的有無和所對應(yīng)材料的強弱,推導(dǎo)了熱柔順度值和結(jié)構(gòu)總重量的敏度表達式.通過泰勒展開得到近似表達式,將原優(yōu)化模型轉(zhuǎn)換為二次規(guī)劃模型并求解.基于求解偏微分方程的方法實現(xiàn)了約束方程一次項過濾,消除了棋盤格現(xiàn)象和網(wǎng)格依賴性問題.最后通過三維數(shù)值算例驗證了方法的可行性和有效性.

        1 基于多相材料的拓撲優(yōu)化建模與求解

        1.1 兩類獨立拓撲變量和拓撲優(yōu)化建模

        在ICM方法中定義兩類獨立拓撲變量si(0≤si≤1)和ti(0≤ti≤1)用于表征單元的有無和所對應(yīng)材料的強弱,變量與單元熱傳導(dǎo)矩陣和單元重量的關(guān)系為

        式中kI和kII分別表示材料I和II對應(yīng)的單元熱傳導(dǎo)矩陣;wI和wII分別表示材料I和II對應(yīng)的單元重量.si=1或0表示單元保留或空洞;ti=1或0表示單元選用材料I或材料II.α和β分別為熱傳導(dǎo)矩陣和單元重量的懲罰因子,本文數(shù)值算例α=4,β=1;N為設(shè)計域內(nèi)的單元數(shù)目.

        遵循ICM建模方式,建立以結(jié)構(gòu)總重量W最小化為目標,結(jié)構(gòu)熱柔順度為約束的多工況拓撲優(yōu)化模型

        式中,cj和j分別表示j工況的熱柔順度和對應(yīng)的限值.對于多相材料布局優(yōu)化問題,當設(shè)計區(qū)域全部由導(dǎo)熱性較好的材料組成,通過有限元分析得到的熱柔順度值為則熱柔順度值限值不小于時,傳熱結(jié)構(gòu)具有可優(yōu)化的余地.拓撲變量下限用于避免有限元分析或敏度分析引起的數(shù)值不穩(wěn)定性.

        基于有限元法的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程為

        式中,K為整體熱傳導(dǎo)矩陣,?為節(jié)點溫度列陣,P為溫度載荷列陣.由此可得

        1.2 敏度分析與熱柔順度的顯式表達

        由伴隨法易得熱柔順度對拓撲變量的敏度為

        與SIMP方法不同,ICM采用拓撲變量(類似SIMP方法的密度變量)的倒變量函數(shù)作為設(shè)計變量,其好處在于:其一,當設(shè)計變量增大時,常見的結(jié)構(gòu)響應(yīng)量如節(jié)點位移、熱柔順度值增大,這樣結(jié)構(gòu)響應(yīng)量與設(shè)計變量之間可以采用線性函數(shù)描述,并具有較好的精度;其二,倒變量表示的重量函數(shù),其一階泰勒近似精度較差,但作為設(shè)計變量的顯式函數(shù),可以采用二階泰勒近似來彌補其精度不足的缺點.且重量函數(shù)的一階、二階導(dǎo)數(shù)可以解析出來,計算量小;其三,當分別采用一階、二階泰勒近似得到約束函數(shù)和目標函數(shù)的顯式表達式后,采用序列二次規(guī)劃法求解,優(yōu)化迭代穩(wěn)健高效.這里定義兩類設(shè)計變量xi和yi

        由式(6)可得

        熱柔順度采用一階泰勒近似得到顯式表達式

        式中上標為k的各變量代表第k輪優(yōu)化迭代中的變量取值.

        式中,向量B和矩陣H由W對設(shè)計變量的一階、二階導(dǎo)數(shù)計算得到.

        令γ=-β/α,由式(1b)和式(6)可得

        由式(11)可得重量函數(shù)的一階、二階導(dǎo)數(shù)

        忽略重量函數(shù)常數(shù)項,由此可得優(yōu)化模型(2)的近似模型為

        模型 (14)是標準的二次規(guī)劃模型,為了克服拓撲優(yōu)化中設(shè)計變量龐大的困難,通常轉(zhuǎn)化為對偶模型并采用序列二次規(guī)劃求解,具體過程可參考文獻[44-45].

        1.3 消除拓撲優(yōu)化中的數(shù)值不穩(wěn)定性

        棋盤格現(xiàn)象和網(wǎng)格依賴性問題是拓撲優(yōu)化中常見的數(shù)值不穩(wěn)定性現(xiàn)象,本文將通過求解偏微分方程的過濾方法來消除上述這些問題.

        以設(shè)計變量xi為例,定義式(8)中含偏導(dǎo)數(shù)的一次項

        以dij,x為過濾對象,過濾后的熱柔順度敏度為

        這里通過求解偏微分方程(partial di ff erential equation, PDE)實現(xiàn)過濾[46].設(shè)dij,x構(gòu)成的場函數(shù)在過濾前后記為滿足Neumann邊界條件

        式中r為PDE參數(shù),與傳統(tǒng)過濾方法中的過濾半徑具有對應(yīng)關(guān)系[46].

        可以證明,過濾前后滿足由式(18)可得,式(8)表示的約束函數(shù)不等式在過濾前后具有一致性.式(17)將過濾過程視為傳熱傳質(zhì)過程,可利用有限元求解器實現(xiàn)過濾,其詳細過程可參考文獻[46].

        對于設(shè)計變量yi,采用類似的流程得到過濾敏度值,將過濾后的敏度值代入到優(yōu)化模型(14)中進行優(yōu)化求解,更新設(shè)計變量、拓撲變量和結(jié)構(gòu).

        為了保證拓撲優(yōu)化構(gòu)型的清晰性,采用文獻[44-45]描述的兩階段優(yōu)化策略,即在第一階段采用過濾措施,目的在于消除棋盤格現(xiàn)象和網(wǎng)格依賴性問題.第二階段不采用過濾措施直至優(yōu)化收斂,得到清晰的拓撲優(yōu)化構(gòu)型.優(yōu)化收斂判斷表達式為

        式中兩階段收斂率ε分別取值1‰和0.1‰.

        2 數(shù)值算例與討論

        本節(jié)采用三維結(jié)構(gòu)數(shù)值算例來驗證所提方法的可行性和有效性.如圖1所示的平板尺寸為64cm×64cm×4cm,采用八節(jié)點六面體單元離散,單元邊長為1cm.在不加說明的情況下,整板8個角點保持相對恒定溫度為0°C.可選用材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ和密度ρ如表1所示.假設(shè)平板全部采用純銅材料,重量為W0,優(yōu)化后的重量為W,以重量比W/W0來說明優(yōu)化效果.

        圖1 三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Illustration of 3D structure

        表1 材料屬性Table 1 Properties of material

        算例1 設(shè)在平板中心處加熱,熱源密度為100W/kg.當平板為純銅或純鋁材料時,其熱柔順度值分別為 2586.9J或 4203.5J.以熱柔順度作為約束條件建立優(yōu)化模型,設(shè)置約束值須大于2586.9J;當約束值小于4203.5J時,純鋁平板無法滿足約束條件.設(shè)熱柔順度約束值在3~6kJ變化,對于單一組分材料和銅鋁混合材料,不同約束值下的優(yōu)化重量比如圖2所示.圖中紅色代表銅材料,藍色代表鋁材料.

        圖2 不同約束值下的優(yōu)化重量比Fig.2 Weight fraction under di ff erent constraints

        由圖2可知,當采用多相材料時,優(yōu)化結(jié)構(gòu)中銅、鋁和空洞并存,具有較好導(dǎo)熱性的銅材料布置在熱源和冷卻點附近.相比銅材料,鋁材料具有更高的比導(dǎo)熱性,在滿足約束條件的前提下,重量最小化目標將驅(qū)動結(jié)構(gòu)優(yōu)先選擇鋁材.隨著約束值的放松,優(yōu)化結(jié)構(gòu)總重量逐漸減少.相比單相組分材料銅或鋁,基于多相材料的優(yōu)化結(jié)構(gòu)重量更輕,這說明所提方法具有處理多相材料布局優(yōu)化的能力.

        算例2 假設(shè)加熱點位于板z向中面內(nèi),其在xoy平面上的投影如圖3所示,p2和p4點加熱,八角點散熱并形成兩個獨立工況,熱源密度為100W/kg,設(shè)熱柔順度約束值為6kJ,不同材料組合為:(1)銀和石墨;(2)純銅和石墨;(3)鈹銅和石墨;(4)鎢和石墨.拓撲優(yōu)化構(gòu)型如圖4所示,優(yōu)化結(jié)果如表2所示.圖4中藍色代表石墨材料,紅色代表其他材料.

        圖3 加熱點示意圖Fig.3 Illustration of heated point

        圖4 不同材料組合優(yōu)化拓撲構(gòu)型Fig.4 Optimal topological configuratio under di ff erent combination of base material

        表2 拓撲優(yōu)化結(jié)果Table 2 Results of topology optimization

        相同的熱柔順度約束值對應(yīng)為相同的傳熱性能要求,由圖4可知,不同多相材料組合下的拓撲優(yōu)化構(gòu)型和結(jié)果不同.與算例1結(jié)果一致,在4種情況下,導(dǎo)熱性較強的材料均布置在加熱點和冷卻點附近,以獲得最佳的導(dǎo)熱效果,其余地方則布置較輕的石墨材料.純銅、銀、鈹銅和鎢的比導(dǎo)熱性依次下降,優(yōu)化結(jié)構(gòu)重量依次增加.在實際工程應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)實際情況選擇材料,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的目的.

        算例3 圖3中的p2點和p4點為加熱點,與算例2不同的是,當p4點加熱時,圖1中左側(cè)平面A四角點冷卻并構(gòu)成工況1;當p2點加熱時,圖1中右側(cè)平面B四角點冷卻并構(gòu)成工況2,加熱點熱源密度和熱柔順度約束值同算例2.設(shè)熱柔順度值在5~7kJ之間變化.當采用單一組分材料或銅鋁混合材料時,不同約束值下的優(yōu)化重量比如圖5所示.圖中紅色代表銅材料,藍色代表鋁材料.

        圖5 不同約束值下的優(yōu)化重量比Fig.5 Weight fraction under di ff erent constraints

        該算例中的加熱點和邊界條件的不同組合構(gòu)成了兩個不同工況,故而建立了多工況下的多約束拓撲優(yōu)化模型.由圖5可知,多相材料的分布具有同算例1類似的規(guī)律,相比單相材料銅或鋁,基于多相材料的優(yōu)化結(jié)構(gòu)重量更小,表明了所提方法在處理多工況多相材料布局優(yōu)化上的可行性.

        算例4 加熱點位于板中面.如圖3所示,p1~p4點單獨加熱并形成4個獨立工況,選用純銅和鋁兩種材料實現(xiàn)傳熱結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計,設(shè)熱柔順度約束值為4kJ.(1)p1~p4點的熱源密度均為100W/kg;(2)p1~p4點熱源密度分別為100W/kg,102W/kg, 104W/kg和106W/kg.兩種情況下的優(yōu)化拓撲構(gòu)型如圖6所示,材料顏色表示與算例1相同,拓撲優(yōu)化結(jié)果如表3所示.

        圖6 優(yōu)化拓撲構(gòu)型Fig.6 Optimal topological configuratio

        表3 拓撲優(yōu)化結(jié)果Table 3 Results of topology optimization

        由圖6可知,在熱源密度不同和相同的熱柔順度約束值下的拓撲優(yōu)化構(gòu)型有所不同.在情況2下,材料呈現(xiàn)非對稱構(gòu)型分布.由表3可知,2種情況下,4種工況的熱柔順度均略小于設(shè)定的約束值,說明優(yōu)化結(jié)構(gòu)充分發(fā)掘了優(yōu)化余地.提出的方法在單一重量最小目標下,可以協(xié)調(diào)不同工況的熱源載荷得到優(yōu)化結(jié)構(gòu),具有處理多材料、多工況、多約束的能力.

        3 結(jié)論

        以重量最小化為目標、各類結(jié)構(gòu)響應(yīng)量為約束的優(yōu)化模型具有實際工程意義.本文提出基于多相材料的多工況穩(wěn)態(tài)傳熱結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的ICM方法.方法采用兩類不同拓撲變量表征單元熱傳導(dǎo)矩陣與單元重量.遵循ICM方法,建立了重量最小化和以熱柔順度限值為約束的拓撲優(yōu)化模型,推導(dǎo)了熱柔順度和重量函數(shù)的敏度,顯式化表達了目標與約束函數(shù),采用序列二次規(guī)劃法優(yōu)化求解,主要得到以下結(jié)論:

        (1)在相同的熱柔順度約束條件下,基于多相材料下的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)比單一材料的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)重量更小,能夠獲得更優(yōu)的材料布局設(shè)計.

        (2)隨著組分材料的不同,拓撲優(yōu)化構(gòu)型和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的重量不同.

        (3)提出的重量最小化模型,將不同工況下的熱柔順度設(shè)置為約束條件,能協(xié)調(diào)不同工況下的熱載荷,得到輕量化結(jié)構(gòu).所提方法具有處理多材料、多工況、多約束的能力,優(yōu)化結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了結(jié)構(gòu)潛力,優(yōu)化迭代穩(wěn)健高效.

        (4)所提基于多相材料的傳熱結(jié)構(gòu)重量最小化模型可拓展到其他物理背景的拓撲優(yōu)化問題中.

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        STRUCTURAL LIGHT DESIGN FOR STEADY HEAT CONDUCTION USING MULTI-MATERIAL1)

        Long Kai?,2)Wang Xuan?Han Dan?

        ?(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University,Beijing102206,China)

        ?(State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian116024,Liaoning,China)

        In topology optimization problems of structures containing multiphase materials,it is common practice to set the volume constraint of each constituent phase or total mass of entire constituent phase constraint to control the fina material usage.On the practical engineering background for lightweight design,it is of significanc that the minimized weight is taken as the objective in optimal model from the engineering point of view.To solve the topology optimization problem of steady heat conductive with the multiple candidate materials,a new modeling method of weight minimization with the given thermal compliance constraint under multiple load cases is proposed.Following the modeling manner of independent continuous mapping method,two sets of independent topological variables are employed to identify elemental thermal conductive matrix and elemental weight,respectively.The sensitivities of thermal compliance and globalweight with respect to the design variable are derived,and their approximate expressions are calculated based on the first-orde and second-order Taylor expansion.To eliminate checkerboard patterns and mesh-dependence,the firs term of the constraint function is filtere as a solution of the partial di ff erential equation,which also ensures the constraint equation is consistent.The approximate optimal model with the objective and constraint in the form of quadratic and linear function is established.The topological optimization model is solved by dual sequential quadratic programming.Various e ff ects such as the constraint value of thermal compliance,the selection of multiple materials,and the multiple constraints in multiple load cases on the optimal result are discussed in four 3D numerical examples.The results demonstrate the feasibility and e ff ectiveness of the proposed optimization approach regarding structural light design using multi-material in steady heat conduction.

        topology optimization,multiple material,steady heat conduction,independent continuous mapping method, sequential quadratic programming

        O343

        A

        10.6052/0459-1879-16-262

        2016–09–18收稿,2016–12–02錄用,2016–12–02網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表.

        1)國家自然科學(xué)基金(11202078),中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金(2014ZD16)資助項目.

        2)龍凱,博士,副教授,主要研究方向:連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、材料拓撲優(yōu)化設(shè)計.E-mail:longkai1978@163.com

        龍凱,王選,韓丹.基于多相材料的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計.力學(xué)學(xué)報,2017,49(2):359-366

        Long Kai,Wang Xuan,Han Dan.Structural light design for steady heat conduction using multi-material.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(2):359-366

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