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| 1 | 面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来显示文摘增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。 | 朱继宏 周涵 王创 周璐 袁上钦 张卫红 | 2020 | 航空制造技术2020，63，10： | 37 |
| 2 | A review of topology optimization for additive manufacturing:Status and challenges显示文摘Topology optimization was developed as an advanced structural design methodology to generate innovative lightweight and high-performance configurations that are difficult to obtain with conventional ideas.Additive manufacturing is an advanced manufacturing technique building asdesigned structures via layer-by-layer joining material,providing an alternative pattern for complex components.The integration of topology optimization and additive manufacturing can make the most of their advantages and potentials,and has wide application prospects in modern manufacturing.This article reviews the main content and applications of the research on the integration of topology optimization and additive manufacturing in recent years,including multi-scale or hierarchical structural optimization design and topology optimization considering additive manufacturing constraints.Meanwhile,some challenges of structural design approaches for additive manufacturing are discussed,such as the performance characterization and scale effects of additively manufactured lattice structures,the anisotropy and fatigue performance of additively manufactured material,and additively manufactured functionally graded material issues,etc.It is shown that in the research of topology optimization for additive manufacturing,the integration of material,structure,process and performance is important to pursue high-performance,multi-functional and lightweight production.This article provides a reference for further related research and aerospace applications. | Jihong ZHU Han ZHOU Chuang WANG Lu ZHOU Shangqin YUAN Weihong ZHANG | 2021 | Chinese Journal of Aeronautics2021，34，1： | 33 |
| 3 | 金属增材制造若干关键力学问题研究进展显示文摘金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术,在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间.该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题.本文针对其中涉及的若干关键力学问题,阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展,并对金属增材制造的结构设计-制造模拟-性能评价的发展趋势进行了展望. | 廉艳平 王潘丁 高杰 刘继凯 李取浩 刘长猛 贺小帆 高亮 李好 雷红帅 李会民 肖登宝 郭旭 方岱宁 | 2021 | 力学进展2021，51，3： | 34 |
| 4 | 多柔体系统动力学建模与优化研究进展显示文摘多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等.近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学建模与计算,还涉及其动力学优化设计.事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法.本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法.系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和拓扑优化3个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展.本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题. | 孙加亮 田强 胡海岩 | 2019 | 力学学报2019，51，6： | 27 |
| 5 | 结构拓扑优化的一些基本概念和研究方法显示文摘介绍了结构拓扑优化研究领域的一些基本概念和主要问题。分析了拓扑优化结构的类桁架性质以及离散化性质,给出了几个作为标准算例的典型解析解答。简述了各种结构拓扑优化数值方法的优化策略和特点。解释了连续体结构拓扑优化数值方法中普遍存在的单元依赖性、奇异性、棋盘格等数值计算不稳定问题现象。介绍了准则法、序列规划方法和启发式算法等各种数学优化求解方法的基本原理。使初学者初步建立结构拓扑优化相关基本概念。 | 周克民 | 2018 | 力学与实践2018，40，3： | 20 |
| 6 | Structural reliability analysis and reliability-based design optimization: Recent advances显示文摘We review recent research activities on structural reliability analysis,reliability-based design optimization(RBDO) and applications in complex engineering structural design.Several novel uncertainty propagation methods and reliability models,which are the basis of the reliability assessment,are given.In addition,recent developments on reliability evaluation and sensitivity analysis are highlighted as well as implementation strategies for RBDO. | QIU ZhiPing HUANG Ren WANG XiaoJun QI WuChao | 2013 | Science China(Physics,Mechanics & Astronomy)2013，56，9： | 14 |
| 7 | 结构优化技术在高速飞行器上的应用与面临的挑战显示文摘高速飞行器是航空航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术及其在飞行器零部件和全机结构概念设计中的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,总结高速飞行器结构设计中存在的主要问题和应用需求,着重介绍近年来在高速飞行器零部件和全机结构概念设计中应用结构优化技术的典型案例;最后,提出近期亟待突破或完善的结构优化技术。结构优化技术与设计经验相结合带来设计理念的变革,将成为先进飞行器设计的必备工具和标准流程。面向重大需求的结构优化理论研究与工程实践对提升我国航空航天核心竞争力具有重要价值。 | 全栋梁 时光辉 关成启 王健 罗俊航 宋锋 王博 高彤 朱继宏 张卫红 | 2019 | 力学与实践2019，41，4： | 14 |
| 8 | 部件级多组件结构系统的整体式拓扑布局优化显示文摘基于多组件结构系统整体式拓扑布局优化设计方法,研究了同时含有部件布局、组件布局、主结构框架构型和部件结构构型4类设计变量的复杂系统协同优化设计问题,是整体式拓扑布局优化设计面向复杂飞行器结构系统设计的拓展。采用多点约束(MPC)模拟组件、部件及支撑结构之间的刚性连接,采用有限包络圆方法(FCM)解决组件之间、组件与设计域边界之间的几何干涉问题。通过整体式拓扑布局的刚度优化设计,部件和组件均可以获得优化的布局位置,同时主结构框架构型和部件结构构型获得优化的结构样式,充分体现了整体式拓扑布局优化设计方法应用于复杂结构系统设计的能力。 | 张卫红 郭文杰 朱继宏 | 2015 | 航空学报2015，36，8： | 13 |
| 9 | 基于区间模型的结构非概率可靠性优化显示文摘采用区间变量描述不确定参数,研究了结构非概率可靠性优化问题。基于区间模型描述不确定信息这一前提,针对Elishakoff的非概率可靠性指标,给出了其几何解释和求解方法。建立了以结构重量为目标函数、以非概率可靠性指标为约束条件的非概率可靠性优化模型。算例分析表明:该非概率可靠性优化方法能够考虑不确定信息的影响,对结构重量进行合理分配。该方法为结构非概率可靠性优化提供了一种新的思路。 | 乔心州 吕震宙 | 2012 | 应用力学学报2012，29，6： | 10 |
| 10 | 人工智能在结构拓扑优化领域的现状与未来趋势显示文摘结构优化,特别是结构拓扑优化,受到学术界和工业界的广泛关注。通过发展不同的拓扑优化算法,实现了众多具有卓越力学、热学和声学等多学科性能的最优拓扑构型创新设计。然而传统的拓扑优化方法在处理大规模的拓扑优化问题的迭代过程中往往需要多次大规模有限元分析,面临巨大计算量的挑战。近年来,以机器学习为代表的人工智能方法的迅猛发展,成为拓扑优化最具有发展前景的新学科方向。通过将人工智能算法与拓扑优化框架结合,使得拓扑优化的效率大幅提高,同时也为实时拓扑优化的实现提供了可能。本文通过回顾近十年来基于机器学习拓扑优化方法研究的一些重要进展,对截止目前的研究现状进行了简要介绍。由于论文篇幅有限,本综述不涉及该领域的全部文献,其综述范围有限,且与作者本人的研究兴趣密切相关。 | 阎军 许琦 张起 范志瑞 杜洪泽 耿东岭 阎琨 牛斌 | 2021 | 计算力学学报2021，38，4： | 10 |
| 11 | 多工况线性结构稳健拓扑优化设计显示文摘针对实际工程中存在的多工况、载荷不确定的情况,研究了概率方法表示载荷不确定性的多工况线性结构稳健拓扑优化设计方法.基于线弹性位移叠加原理给出了多工况、不确定性条件下结构柔度均值与方差的计算方法,并在此基础上推导了结构灵敏度公式.对于承受M个工况的二维结构,根据每个工况下的柔度均值和方差以及灵敏度信息求出其结构整体的均值、方差及灵敏度信息;而结构在单工况n个不确定载荷下的均值方差及灵敏度信息可以通过求解其在2n个确定性载荷工况下的位移求得.提出了以结构整体柔度均值和标准差的加权和最小为目标、体积约束下的稳健拓扑优化设计方法.数值算例验证了所提方法的正确性和有效性以及载荷不确定、多工况条件下优化设计结果的稳健性.该设计方法可以很方便的推广到三维结构问题. | 付志方 赵军鹏 王春洁 | 2015 | 力学学报2015，47，4： | 10 |
| 12 | 基于ICM法的传热结构周期性拓扑优化设计显示文摘为了获得复合材料稳态导热性优化微结构构型,基于独立连续映射法,建立了周期性结构拓扑优化模型。在优化模型中,以重量最小化为目标、散热弱度为约束。采用一阶泰勒展开近似表达散热弱度约束函数。基于偏微分方程实施的图像过滤方法消除了棋盘格现象和网格依赖性问题。为了满足周期性约束,设计区域划分为若干相同大小的子区域,散热弱度贡献系数被重新分配。对比分析循环周期数、不同约束载荷工况下的拓扑优化构型。数值算例结果验证提出方法可以有效实现热传导下的复合材料微结构优化设计。 | 龙凯 贾娇 | 2015 | 工程力学2015，32，5： | 9 |
| 13 | 基于拓扑优化技术的导弹折叠舵结构颤振优化设计显示文摘在高超声速飞行的过程中,导弹舵面会出现颤振问题,可在短短几秒内导致结构破坏甚至解体.为了改善舵面颤振特性,并让设计过程更加科学和高效,结合拓扑优化技术,开发了相应的优化程序应用于导弹折叠舵结构颤振抑制设计,获得比原始设计方案拥有更大颤振临界速度的折叠舵结构.结果表明该方法具有如下优点:相比传统的配重等方法,从拓扑优化的新思路高效、准确地获得新构型;将拓扑优化的前沿技术创造性地应用到改善导弹折叠舵颤振特性的实际工程问题上,并在设计后进行强度校核;将颤振这种复杂的流固耦合问题从结构动力学问题逐步简化为静力学模型,进而用拓扑优化方法高效解决. | 侯政 刘仙名 吴炜 何辉 | 2015 | 固体力学学报2015，36，1： | 8 |
| 14 | 层状双周期结构声子晶体带隙特性研究显示文摘设计了一种层状五组元双周期结构声子晶体,并将其等效为一维声子晶体,采用传递矩阵法推导出了该结构的能带结构;在该带隙范围内弹性波或声波的传播能够得到有效抑制,实现对噪声的控制。同时,分析了取消内部周期以后第一带隙的变化以及改变硅橡胶层厚度对第一带隙的影响。结果表明,该结构与简单二元结构相比,在降低带隙频率的同时有效减轻了结构质量,且'内部周期'主要影响带隙宽度;当增加硅橡胶层的厚度时,带隙频率进一步降低。 | 祁鹏山 杜军 姜久龙 董亚科 张佳龙 | 2016 | 声学技术2016，35，4： | 5 |
| 15 | 大型桥式起重机减速器箱体轻量化设计显示文摘在齿轮箱箱体强度和模态分析的基础上,采用拓扑优化方法对箱体进行了轻量化设计,在满足箱体可靠性的条件下,优化后箱体质量减轻约15%,通过箱体优化前后的性能对比分析,验证了箱体改进的合理性。 | 肖伟中 张艳山 颜世铛 余飞鹏 职彦锋 | 2017 | 机械传动2017，41，9： | 5 |
| 16 | 涉及空腔制造的最小长度尺寸限制的清晰结构拓扑优化设计显示文摘针对以结构柔顺度最小为目标函数,涉及空腔制造的最小长度尺寸限制的结构拓扑优化设计问题,提出了一种新的拓扑优化求解方法。首先,为了消除现有的结构实体相及空洞相的相同的光滑Heaviside映射导致的强烈对立矛盾,引入光滑Heaviside映射和修改的光滑Heaviside映射分别进行实体相及空洞相的设计变量过滤;而后,构建了合理和协同的涉及实体相和空洞相的几何最小长度尺寸限制的结构拓扑优化模型;利用MMA算法,形成了一种新的涉及实体相和空洞相的几何最小长度尺寸限制的结构拓扑优化算法。给出的算例结果表明,与现有方法比,该方法可解决结构实体相和空洞相的几何最小长度尺寸控制问题。且所提方法可获得清晰0/1分布的优化结构拓扑。 | 荣见华 赵圣佞 李方义 俞燎宏 荣轩霈 陈成 | 2019 | 机械工程学报2019，55，19： | 5 |
| 17 | Stiffeners layout design of thin-walled structures with constraints on multi-fastener joint loads显示文摘The purpose of this paper is to present an extended topology optimization method for the stiffeners layout design of aircraft assembled structures. Multi-fastener joint loads and manufacturing constraints are considered simultaneously. On one hand, the joint loads are calculated and constrained within a limited value to avoid the failure of fasteners. On the other hand, the manufacturing constraints of the material distribution in the machining directions of stiffeners are implemented by an improved piecewise interpolation based on a beveled cut-surface. It is proven that the objective function is strictly continuous and differentiable with respect to the piecewise interpolation. The effects of the extended method with two different constraints are highlighted by typical numerical examples. Compared with the standard topology optimization, the final designs have clearly shown the layout of stiffeners and the joint loads have been perfectly constrained to a satisfying level. | Jie HOU Jihong ZHU Fei HE Weihong ZHANG Wenjie GUO | 2017 | Chinese Journal of Aeronautics2017，30，4： | 5 |
| 18 | Precise output loads control of load-diffusion components with topology optimization显示文摘The purpose of this paper is to present a novel topology optimization approach to control precisely the output loads under static loads and harmonic excitations.We introduce the Artificial Bar Element(ABE)at the designated output positions,where the output loads are equivalently measured and constrained with the nodal displacements of ABE.Optimization model is then formulated considering the output load constraints as well as the minimization of strain energy and dynamic displacement responses respectively under the static and dynamic conditions.The influences of the ABEs stiffness,different material usages of the design domain,widths of the output loads constraint intervals and variation ratios of output loads are discussed in detail.The proposed method is verified with several numerical examples with clear and reasonable load transfer paths. | Yinfeng CAO Xiaojun GU Jihong ZHU Weihong ZHANG | 2020 | Chinese Journal of Aeronautics2020，33，3： | 5 |
| 19 | 基于水平集描述的结构拓扑与构件布局联合优化新方法显示文摘该文提出了一种结构拓扑与内嵌构件布局联合优化的新颖方法。这种方法突出的特点是利用水平集函数隐式地描述不规则的构件形状,因此可以非常方便地处理构件之间的互不覆盖约束条件。数值算例表明:较之文献中已有的方法,该文算法能够以更小的计算量有效地实现结构拓扑与内嵌构件布局的联合优化。 | 张维声 孙国 郭旭 单鹏 | 2013 | 工程力学2013，30，7： | 5 |
| 20 | Topology optimization of plate structures using plate element-based moving morphable component(MMC)approach显示文摘A topology optimization approach for designing the layout of plate structures is proposed in this article.In this approach,structural mechanical behavior is analyzed under the framework of Kirchhoff plate theory,and structural topology is described explicitly by a set of moving morphable components.Compared to the existing treatments where structural topology is generally described in an implicit manner,the adopted explicit geometry/layout description has demonstrated its advantages on several aspects.Firstly,the number of design variables is reduced substantially.Secondly,the obtained optimized designs are pure black-and-white and contain no gray regions.Besides,numerical experiments show that the use of Kirchhoff plate element helps save 95-99%computational time,compared with traditional treatments where solid elements are used for finite element analysis.Moreover the accuracy of the proposed method is also validated through a comparison with the corresponding theoretical solutions.Several numerical examples are also provided to demonstrate the effectiveness of the proposed approach. | Tianchen Cui Zhi Sun Chang Liu Linyuan Li Ronghua Cui Xu Guo | 2020 | Acta Mechanica Sinica2020，36，2： | 4 |
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