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        面向工程設(shè)計(jì)需求的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

        2017-10-21 21:41:44杜佩明張榮珅劉總帥蔡守宇
        科技風(fēng) 2017年8期
        關(guān)鍵詞:拓?fù)鋬?yōu)化制造工藝

        杜佩明 張榮珅 劉總帥 蔡守宇

        摘 要:拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)作為高性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段,能夠協(xié)助工程師最大限度地挖掘材料潛力以設(shè)計(jì)出富有競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)構(gòu)型。早期拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)僅用于概念設(shè)計(jì),后續(xù)人為的詳細(xì)設(shè)計(jì)難免造成結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不合理地降低。新發(fā)展的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)開(kāi)始將應(yīng)力約束、工程特征約束和制造工藝約束等考慮在優(yōu)化過(guò)程中,本文首先對(duì)此類(lèi)直接面向工程設(shè)計(jì)需求的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明和總結(jié),進(jìn)而對(duì)它們的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

        關(guān)鍵詞:拓?fù)鋬?yōu)化;應(yīng)力約束;工程特征;制造工藝

        在航空航天工業(yè)飛速發(fā)展和傳統(tǒng)裝備制造業(yè)同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)加劇的今天,新產(chǎn)品總體性能的提升、生產(chǎn)成本的降低以及研發(fā)周期的縮短等成為設(shè)計(jì)人員不懈追求的目標(biāo),本著材料“物盡其用”宗旨的計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)也因此成為眾多學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

        結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)主要包括尺寸/形狀/拓?fù)鋬?yōu)化三個(gè)領(lǐng)域和層次,其中拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)由于突破了前兩種方法的設(shè)計(jì)模式,能夠最大限度地挖掘材料潛力以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足苛刻要求的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)構(gòu)型,現(xiàn)已成為高性能工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最活躍、最具應(yīng)用前景的課題之一。

        圖1展示了結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件Tosca和OptiStruct的典型拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例。

        然而,早期拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)僅用于概念設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)果的結(jié)構(gòu)邊界需要人為地光順化,光順后的結(jié)構(gòu)還需進(jìn)行再分析和再設(shè)計(jì),以使其能夠滿(mǎn)足制造工藝要求和工程使用需求等。這種拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方式不僅過(guò)程繁瑣,而且后續(xù)的邊界光順化和再設(shè)計(jì)操作難免造成結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不合理地降低,從而難以充分挖掘給定材料的潛力。

        為徹底解決此問(wèn)題,“面向工程設(shè)計(jì)需求的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)”成為了當(dāng)前結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn):學(xué)者們首先將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的強(qiáng)度指標(biāo)——應(yīng)力約束引入到拓?fù)鋬?yōu)化中,致力于使拓?fù)鋬?yōu)化階段的設(shè)計(jì)結(jié)果能夠直接應(yīng)用于工程實(shí)際中,無(wú)需依靠經(jīng)驗(yàn)地進(jìn)行構(gòu)型修正和詳細(xì)設(shè)計(jì),從而盡可能得到滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)需求且力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

        1 發(fā)展現(xiàn)狀

        1.1 考慮應(yīng)力約束的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)

        在拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中施加應(yīng)力約束的前提是能夠得到精度較高的應(yīng)力分析結(jié)果,這就需要結(jié)合一些先進(jìn)計(jì)算力學(xué)方法進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析,華南理工大學(xué)魏鵬等[ 1 ]和鄭州大學(xué)蔡守宇等分別將擴(kuò)展有限元分析方法(Extended Finite Element Method)和有限胞元分析方法(Finite Cell Method)引入到拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)中,以保證固定網(wǎng)格分析精度。

        此外,應(yīng)力約束會(huì)導(dǎo)致奇異最優(yōu)解問(wèn)題的產(chǎn)生,我國(guó)程耿東院士首創(chuàng)的ε松弛技術(shù)徹底解決了這一問(wèn)題,打破了應(yīng)力相關(guān)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的發(fā)展瓶頸,使之能夠避開(kāi)奇異解而尋找到真正的最優(yōu)解。

        由于應(yīng)力約束數(shù)量極多,而拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)變量數(shù)量也很多,則作為這兩者的乘積,應(yīng)力約束靈敏度的計(jì)算規(guī)模就過(guò)于龐大,為此許多學(xué)者使用約束凝聚策略以解決此問(wèn)題,大連理工大學(xué)羅陽(yáng)軍等[ 2 ]采用增強(qiáng)的主動(dòng)應(yīng)力約束策略在保證約束精度的前提下大幅降低了應(yīng)力約束數(shù)量。

        1.2 考慮工程特征約束的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)

        為了使拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果能夠直接應(yīng)用于工程實(shí)際,就需要把槽孔、耳片、接頭、凸臺(tái)等這些滿(mǎn)足裝配需求和連接要求的工程特征考慮在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中,以避免后續(xù)人為地添加這些特征。

        香港中文大學(xué)Zhou等[ 3 ]借鑒CAD中的構(gòu)造實(shí)體幾何技術(shù)在設(shè)計(jì)區(qū)域中成功引入了工程特征約束;

        鄭州大學(xué)蔡守宇等利用隱式模型的布爾操作函數(shù)(R函數(shù))實(shí)現(xiàn)了考慮工程特征約束的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì);

        加拿大阿爾伯塔大學(xué)Liu等[ 4 ]在三維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中施加了工程特征約束;

        西北工業(yè)大學(xué)朱繼宏等[ 5 ]進(jìn)一步考慮到一些工程特征(飛機(jī)結(jié)構(gòu)中為安裝擋風(fēng)玻璃而預(yù)留的孔洞)在受力后不宜發(fā)生較大變形的需求,提出了考慮保形要求的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)。

        1.3 考慮制造工藝約束的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)

        由于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果大都是非常復(fù)雜的不規(guī)則構(gòu)型,難以使用常規(guī)加工技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)制造,所以生產(chǎn)工藝工程師常將拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行較大幅度的更改以滿(mǎn)足加工要求,這種做法極易造成結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的大幅降低。

        為此,丹麥科技大學(xué)Sigmund[ 6 ]在保證優(yōu)化結(jié)果邊界清晰的基礎(chǔ)上引入了最小尺寸約束;

        大連理工大學(xué)郭旭等[ 7 ]通過(guò)引入中性軸/面的概念進(jìn)一步限制了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的最大尺寸。

        近些年學(xué)者們認(rèn)識(shí)到拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的必要性,開(kāi)始將增材制造工藝約束施加在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中,代爾夫特理工大學(xué)Langelaar[ 8 ]考慮到3D打印對(duì)懸空角度的限制,提出了自支撐結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù);

        大連理工大學(xué)劉書(shū)田等成功將孔洞連通性約束引入到拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中,以避免優(yōu)化結(jié)果中存在封閉的獨(dú)立孔洞。

        2 發(fā)展展望

        經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域內(nèi)眾多學(xué)者的不懈努力,應(yīng)力約束、工程特征約束和制造工藝約束等已經(jīng)被成功施加在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中,初步形成了面向工程設(shè)計(jì)需求的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)。下一步的研究工作將是進(jìn)一步推廣和發(fā)展這一技術(shù),使之能夠用于解決大規(guī)模復(fù)雜工程問(wèn)題,其中亟待解決的問(wèn)題就是大幅減少拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算量。

        現(xiàn)有的二維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)動(dòng)輒就需要上千甚至上萬(wàn)個(gè)設(shè)計(jì)變量,三維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算工作就過(guò)于繁重,因此未來(lái)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將是在考慮應(yīng)力約束、工程特征約束和制造工藝約束的基礎(chǔ)上大幅減少設(shè)計(jì)變量,以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的高效率高精度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

        參考文獻(xiàn):

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        [7] Guo X, Zhang W S, Zhong W L. Explicit feature control in structural topology optimization via level set method[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,2014.

        [8] Langelaar M. Topology optimization of 3D self-supporting structures for additive manufacturing[J].Additive Manufacturing,2016.

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