基于等几何分析方法的带孔结构形状优化设计

基于COMSOL Multiphysics的结构形状优化结构优化主要包括结构的拓扑和形状优化。

拓扑优化方法可以在没有特定初始拓扑的情况下得到的结构最优拓扑，而形状优化在结构拓扑不变的前提下优化结构边界的精确形状。

相对于形状优化，拓扑优化的优势在于可以给出结构的最优拓扑和边界的大致形状。

形状优化作为拓扑优化的后处理过程，对于最优结构的精确描述仍然非常重要。

拓扑优化方法通常采用隐式法表述结构边界的位置，而形状优化方法一般采用显式法确定结构边界的具体位置以及设计变量的参数化表示。

中科院长春光机所刘震宇研究员利用COMSOL Multiphysics中的移动网格技术成功实现了面积约束条件下的二维刚性结构形状优化问题。

形状优化基本原理近年来，形状最优化设计已经引起了人们广泛的关注。

形状优化一般通过改变表述边界位置的设计变量来提高目标函数的表现。

工程问题的形状优化主要有两种方法，Lagrangian方法和Eulerian方法。

前者是通过边界上的控制点和插值函数来表示结构形状，后者是将设计区域嵌入到一个规则的虚拟区域中进行优化设计。

Eulerian方法的优点在于结构边界在变化过程中不需对网格进行更新，缺点在于优化结果受到虚拟材料区域的影响。

而Lagrangian方法是通过改变真实边界的位置来实现优化，所以在工程设计中得到广泛采用。

基于有限元数值解的形状优化已逐渐成为一种成熟的设计手段应用于工程优化问题。

在优化过程中，将离散的边界网格节点作为优化设计参数，边界的网格节点位置在优化过程中需要不断进行更新。

由于优化分析中只定义了边界节点的移动速度，为保证结构整体离散网格的协调性，结构区域中网格节点的移动需要额外的定义。

所以在设计过程中对网格进行调整甚至重新划分是形状优化中的一个重要的步骤。

移动网格法是一种动态网格调整方法，其数值实现基于移动网格偏微分方程。

在网格拓扑保持不变的情况下，通过网格节点的移动来适应结构边界的变化。

等几何分析研究进展摘要等几何分析是一种刚刚兴起的数值分析方法，对现有的CAE产生了很大的影响。

等几何分析法的出现于发展，缓解和消除了困扰CAE多年的难题，开启了一条结合设计、分析和优化等三方面的途径。

本文阐述了等几何分析产生的背景、意义和相关的定义，还介绍了等几何分析从首先提出到现如今的10年发展历程，包括基础理论体系的发展与完善，新型样条的构建，网格细分方法的研究，计算效率的提高，以及其他方面（如边界条件的施加、接触分析、结构优化等）的进展，展示了等几何分析相对于基于拉格朗日插值的有限元法的优势。

关键字等几何分析有限元NURBS 发展现状1 前言有限元分析是目前应用最广泛的一种数值分析方法，且由于结合了能够高速运算的计算机，有限元法得到了大多数人的支持。

有限元法是将连续的物体离散成有限个单元，单元之间通过节点连接在一起，并将节点处的未知量作为基本未知量，使得无限自由度问题转换成了有限自由度的问题，在利用力学原理近似的求解出未知量。

这一突出优点使得有限元法得到广泛应用，各类有限元软件也层出不穷，如ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、HyperMesh等。

不过这一突出的优点也大大的限制了有限元的进一步发展。

首先，有限元法求得的结果的精确度与网格的细化程度有关，网格越细，则计算结果的精度越高，而计算时间和计算所需的内存也将随之增加，而以目前的水平来看，还无法做到超高精度的细化网格。

Sandia国家实验室曾做过一项统计，在汽车、航空航天和造船行业，大约全部分析时间的80%用于网格划分及划分前的几何模型准备[1]。

其次，网格划分使得应力不连续，且在处理大变形问题中，单元的过度扭曲导致精度严重损失。

第三，网格划分工具对几何形状的识别精度较低，特别是划分复杂高级曲面时无法精确划分，容易划分出大变形网格。

再者，网格划分是建立在几何模型的基础上，若几何模型发生改变，那么须得重新划分网格，花费大量时间。

最后，在处理网格畸变、网格移动如动态裂纹扩展、冲压成型等问题时需要进行网格重构，不仅浪费计算时间，还会损害计算精度[2]。

结构优化设计理论与方法研究随着现代工程技术的不断发展和进步，结构优化设计已成为了工程领域中的一个重要问题。

无论是大型建筑、航空航天、交通运输还是能源领域，都离不开结构优化设计的理论和方法。

在这个领域中，设计者需要通过分析和优化结构的形态和材料，来确定最佳的设计方案。

一、优化设计的基本原理优化设计的基本原理是通过对结构进行多种参数优化，以达到最佳设计方案。

在设计过程中，要考虑到各种限制条件，并确定问题的最优解。

将这个过程数学化，可以得到一个最小值问题。

这个问题的解决就需要使用优化算法。

例如，最常使用的方法是全局优化方法，如遗传算法、模拟退火法、差分进化算法等。

对于多目标优化问题，则需根据不同的目标设定权重，将问题转化为单一目标优化问题。

在这一过程中，必须考虑到多种重要因素，例如结构的重量、安全、经济和环保等等。

二、常见的优化设计方法1. 拓扑优化拓扑优化是指在不改变结构物体积的情况下，寻找最优形态的过程。

这种优化方法主要基于有限元分析（finite element analysis，FEA），对设计中的有限元进行重新分区，以改善其力学性能。

在拓扑优化中，通过选择优化变量，对结构的所有点进行重分布，以寻找最优解。

2. 几何形状优化几何形状优化是基于有限元分析的三维几何模型进行优化，通过优化材料的位置来改进结构的性能。

这种优化方法通常是基于梁、板和壳体的理论模型，并考虑到材料的特性，设计出最优的结构形态。

3. 材料优化材料优化是指通过改变结构的材料类型、厚度和比例来优化其性能。

这种优化方法通常需要进行复杂的有限元分析，以确定结构所需的最佳材料和厚度。

在材料优化中，通常需要考虑材料的拉伸、压缩、剪切力学和疲劳破坏等因素。

4. 多目标优化多目标优化是指在结构中考虑多种因素的优化问题。

在多目标优化中，设计者需要将不同的优化目标进行权重分配，并确定最佳的综合方案。

例如，设计者需要同时考虑结构的造价、稳定性和安全性等重要因素。

机械设计中的参数化模型与优化设计在机械设计领域中，参数化模型与优化设计是两个重要的概念。

参数化模型是指设计过程中使用参数来定义几何形状和尺寸的模型，而优化设计则是通过优化算法寻找最佳设计方案。

本文将介绍参数化模型和优化设计的原理与应用，并探讨二者在机械设计中的重要性和挑战。

一、参数化模型的原理与应用参数化模型是一种使用参数来描述和确定几何形状和尺寸的设计模型。

相比于传统的手工绘图和CAD软件设计，参数化模型可以通过调整参数值来快速生成不同几何形状的模型，提高设计效率。

参数化模型也能够方便地进行变量分析和灵敏度分析，有助于优化设计过程。

参数化模型的应用范围广泛，包括机械零件设计、结构设计、流体力学分析等。

在机械零件设计中，参数化模型可以用于生成不同尺寸的螺纹孔、键槽等特征，并快速进行装配性分析。

在结构设计中，参数化模型可以用于生成各种形状的结构单元，如梁、板、壳等，并进行强度、刚度等性能分析。

在流体力学分析中，参数化模型可以用于生成涡轮叶片、管道等复杂几何形状，并进行流场分析和传热分析。

二、优化设计的原理与应用优化设计是一种通过数学模型和优化算法，寻找最佳设计方案的方法。

优化设计的目标通常是最小化或最大化某个性能指标，如重量、成本、刚度、强度等。

通过调整设计参数的数值，优化设计能够寻找到最佳的参数组合，以达到设计目标。

优化设计的原理基于数学和工程的知识，主要包括建立数学模型、确定优化目标函数、选择合适的优化算法和评估优化结果等步骤。

常用的优化算法有遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法等。

在机械设计中，优化设计可以应用于零件尺寸优化、结构优化、材料选择等方面，以提高设计的性能和效率。

三、参数化模型与优化设计的关系参数化模型和优化设计是密切相关的。

参数化模型提供了优化设计的基础，通过调整参数值来生成不同设计方案。

优化设计则通过优化算法对参数化模型进行搜索和评估，寻找最佳设计方案。

参数化模型与优化设计之间的关系可以通过一个实例来说明。

基于等几何边界元法的声屏障结构形状优化分析陈磊磊;申晓伟;刘程;徐延明【摘要】对声屏障结构进行优化设计是提高其降噪性能的有效解决方案,并具有重要实际意义.已有工作集中于对简单结构进行局部优化或对简单的整体结构进行尺寸优化,由于采用传统几何插值方法描述结构形状,难以灵活地控制形状变化,并需进行网格重构,限制了对声屏障整体结构的优化设计.采用等几何分析方法,实现几何模型与分析模型的同一表达,以非均匀有理B样条(NURBS)建模的控制点坐标为设计变量,以声影区参考点声压幅值在一定频带上的均值为目标函数,满足多约束条件下的目标函数最小为设计目标,建立基于等几何分析(IGA)和边界元法的结构声学优化数学模型,并采用移动近似算法(MMA)进行二维声屏障结构形状优化分析,算例证明该方法有效提高优化设计的灵活性.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2019(038)006【总页数】7页(P114-120)【关键词】等几何边界元;敏感度分析;结构形状优化;声屏障【作者】陈磊磊;申晓伟;刘程;徐延明【作者单位】信阳师范学院建筑与土木工程学院,河南信阳464000;信阳师范学院建筑与土木工程学院,河南信阳464000;中国科学技术大学近代力学系,合肥230026;中国科学技术大学近代力学系,合肥230026【正文语种】中文【中图分类】O39声屏障作为一种有效、经济的降噪工具，在交通噪声治理中已被广泛采用，如何有效地利用好这一降噪措施，使其发挥出更大的经济技术效果，对于改善人们的生活质量具有重要的意义。

声屏障的降噪效果与声屏障的形状、尺寸和材料属性有关，进行声屏障结构优化设计可以有效地提高其降噪效果。

目前大多研究都集中在采用遗传算法等启发式算法进行声屏障的形状优化例如，Baulac等[1]采用遗传算法对T型声屏障的顶端结构进行了优化设计；Toledo等[2]采用了进化算法对声屏障顶端形状进行了优化；Mun等[3]采用了模拟退火方法对声屏障的几何尺寸进行了优化。

结构优化有限元分析结构优化是指在满足设计约束条件的前提下，通过调整结构的几何形状、尺寸、材料等参数，以达到优化设计目标的一种设计方法。

通过结构优化，可以提高结构的刚度、强度、稳定性、减少重量、节约材料、降低成本等。

有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是一种计算机辅助工程分析方法，通过将复杂的结构分割成有限个简单的子结构（有限元），建立数学模型，在计算机上进行力学仿真分析来评估结构的性能。

有限元分析可以用于结构的设计优化，通过分析不同参数对结构性能的影响，得出最佳设计方案。

结构优化的有限元分析通常包括以下几个步骤：1.建立结构有限元模型：根据实际结构几何形状和材料，利用专业的有限元软件建立结构的三维有限元模型。

模型中包括结构的节点、单元类型和材料属性等信息。

2.设计优化目标和约束条件：根据设计要求和目标，确定结构的优化目标，如提高刚度、降低重量等。

同时，根据结构的使用条件和限制，设置约束条件，如保证结构的稳定性、强度等。

3.建立优化算法：根据实际情况选择适合的优化算法。

常见的优化算法有遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。

根据设计要求和目标，确定优化算法的参数和设置。

4.分析和求解：利用有限元分析软件进行结构分析。

根据约束条件和优化目标，对结构进行力学仿真分析，得到结构的刚度、强度、位移等性能指标。

5.结果评估和优化：根据分析结果，评估优化策略的有效性和可行性。

如果优化结果满足设计要求和目标，可以进入下一步；如果不满足，需要对优化策略进行调整和优化，重新进行分析和求解，直到满足设计要求和目标。

6.优化结果的验证：通过制作样品或进行物理实验验证优化结果的可行性和有效性。

根据实际测试结果，对优化模型进行修正和调整，使其更加符合实际情况。

总的来说，结构优化有限元分析是一种结合了有限元分析和优化算法的设计方法，通过分析结构的力学特性，通过调整结构参数，得到最佳的设计方案。

这种方法可以提高结构的安全性、经济性和可靠性，减少材料和能源的消耗，促进结构设计的创新和进步。

基于密度的等几何分析层级结构拓扑优化方法研究基于密度的等几何分析层级结构优化方法（Density-Based Hierarchical Topology Optimization Method）是一种用于优化复杂工程结构的方法。

在这种方法中，结构的密度被视为优化的变量，分析和优化是基于结构的密度来进行的。

该方法通过层级结构的方式来优化结构的性能，并在每个层级上进行密度分布的优化。

首先，基于密度的等几何分析层级结构优化方法要求将空间分割成多个体积元素（voxels），每个体积元素被视为一个密度的取值点。

通过对每个体积元素的密度进行调整，可以优化结构的形状和性能。

这是一个和拓扑优化方法类似的过程，但有一些关键的不同之处。

在基于密度的等几何分析层级结构优化方法中，结构的密度是更细粒度的优化变量，而不是结构的拓扑。

因此，这种方法可以更精确地调整结构的形状和性能。

同时，由于优化是基于结构的密度进行的，所以不需要进行二进制化的处理，可以避免一些优化算法在拓扑优化中遇到的困难。

其次，基于密度的等几何分析层级结构优化方法采用了层级结构的思想。

在该方法中，优化过程被分为多个层级，每个层级对应着不同的密度分布。

在每个层级上，都可以对结构的密度进行优化，以达到所需的性能要求。

通过层级的优化，可以在细节和粗糙的尺度上进行结构优化，从而提高了优化的效率和准确性。

基于密度的等几何分析层级结构优化方法的主要优势是可以在细粒度上进行结构优化，并且可以在不同的层级上进行优化。

这可以在一定程度上避免一些常见的优化问题，例如局部极值和收敛速度慢。

此外，该方法还可以根据实际需求进行结构的优化设计，从而提高结构的整体性能。

总之，基于密度的等几何分析层级结构优化方法是一种用于优化复杂工程结构的高效方法。

通过将结构的密度作为优化变量，并采用层级的优化策略，可以在细粒度上精确地调整结构的形状和性能，从而提高结构的整体性能和可靠性。

同时，在此方法的指导下，可以更好地理解结构的优化过程和机制，为工程设计提供指导和支持。