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我院赵子龙教授在《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》发表最新研究成果
发布时间:2021-12-24   浏览次数:

近日,我院固体力学研究所赵子龙教授及其合作者在计算力学顶级期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》(中科院分区:1区;JCR分区:1区;影响因子:6.756)发表研究论文《Structural topology optimization with an adaptive design domain》,提出了设计域智适可变的结构拓扑优化方法。

近年来,拓扑优化经历了迅速的发展,已被广泛地应用在机械工程、先进制造、建筑设计、航空航天,以及基础前沿研究等重要领域。传统的拓扑优化方法通常只在预先设定好的固定设计域内完成结构找形。在这项工作中,赵子龙教授等将设计域本身作为设计变量之一,提出了一种新的拓扑优化技术——ADD(adaptive design domain)方法——可以同时优化材料的分布和设计空间的形状。

在ADD方法中,设计域的演化能自动、智能且灵活地与材料布局的演化相适应。在传统的优化方法中,优化结果十分依赖设计域的选取。设置足够大的设计域可以在一定程度上解决这个问题,但却大大增加了计算成本。因而传统的优化方法往往要求设计者能够定义出形状、大小合适的设计域。使用ADD方法则无此要求——设计者仅需设置一个较小的初始设计域,便能以更低的计算成本实现大范围、高分辨率结构找形。通过为设计域制定不同的演化策略,ADD方法不但能模拟生物生长等涉及跨学科机理的复杂动态过程,还能生成形态迥异而性能俱佳的优化结构。值得一提的是,ADD方法允许载荷与边界条件随设计空间的演化实时更新。此外,赵子龙教授等发展出基于子域的并行策略(如图1所示)。基于子域的ADD方法充分利用了计算资源,极大地提高了计算效率。文中给出了多个典型的数值算例。由计算结果可知,相较于传统的优化方法,ADD方法可以大幅提高结构性能(如图2、图3所示)。

图1. (A)设计域被划分为多个子域,每个子域包含多个单元. (B)设计域以子域为单位进行更新.

图2.所得优化之桥梁随设计域之演化而逐步变化;由(A)至(D),结构性能提升约1/3.

图3. (A) MBB梁优化问题的载荷与边界条件. (B)在初始设计域(灰色)内得到的优化结构(经典解,黑色). (C)使用ADD方法得到的优化结构(黑色)明显不同于(B)中经典设计,且结构性能提升超2/3.

这项研究打破了设计域预定不变的固有思维,受生物生长启发引入了设计域智适可变的演化策略,有望进一步拓宽结构找形技术在多学科优化领域的应用。在接下来的研究中,赵子龙教授将带领团队基于ADD拓扑优化方法实现生物力学跨学科计算形态生成。可以预见,ADD拓扑优化方法有望帮助我们探索生命系统独特复杂构造的形成、演变与优化机理。

我院固体力学研究所赵子龙教授(个人主页:http://shi.buaa.edu.cn/zzl/zh_CN/index.htm)国家级青年人才,是论文唯一通讯作者,曾获澳大利亚国家优秀青年项目、全国优秀博士学位论文奖、清华大学优秀博士学位论文奖,以及清华大学航天航空学院“学术新秀”等重要学术荣誉、奖励。他的主要研究方向是固体力学、生物力学,以及结构拓扑优化。目前,他担任断裂力学国际著名SCI期刊《Engineering Fracture Mechanics》编委。论文合作者包括赵子龙教授指导的博士研究生荣毅、中国力学学会副理事长清华大学冯西桥教授,以及澳大利亚工程院院士皇家墨尔本理工大学谢亿民教授。原文链接如下:

https://authors.elsevier.com/a/1eGZQAQEIvibZ

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