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Bi-material Topology Optimization Using Analysis Mesh-Independent Point-Wise Density Interpolation
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作者 Xiaoyu Suo Zhan Kang +1 位作者 Xiaopeng Zhang Yaguang Wang 《Acta Mechanica Solida Sinica》 SCIE EI CSCD 2019年第6期698-712,共15页
This paper extends the independent point-wise density interpolation to the bimaterial to pology optimization to improve the structural static or dynamic proper ties.In contras t to the conventional elemental density-b... This paper extends the independent point-wise density interpolation to the bimaterial to pology optimization to improve the structural static or dynamic proper ties.In contras t to the conventional elemental density-based topology optimization approaches,this method employs an analysis-mesh-separated material density field discretization model to describe the topology evolution of bi-material structures within the design domain.To be specific,the density design variable points can be freely positioned,independently of the field points used for discretization of the displacement field.By this means,a material interface description of relatively high quality can be achieved,even when unstructured finite element meshes and irregular-shaped elements are used in discretization of the analysis domain.Numerical examples,regarding the minimum static compliance design and the maximum fundamental eigen-frequency design,are presented to demonstrate the validity and applicability of the proposed formulation and numerical techniques.It is shown that this method is free of numerical difficulties such as checkerboard patterns and the“islanding”phenomenon. 展开更多
关键词 topology optimization BI-MATERIAL Independent point-wise density interpolation topology description Material interface Dynamic topology optimization
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Micropore Design and Topological Optimization for Efficient Evaporation in Cylindrical Evaporators
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作者 WEN Xiaoting MENG Tingting +3 位作者 SU Jin HU Guifu PAN Qinghui SHUAI Yong 《Journal of Thermal Science》 2025年第6期2046-2058,共13页
Solar-driven interfacial water evaporation technology offers a zero-carbon,sustainable solution for extracting clean water from seawater and wastewater,presenting an effective strategy to address the global water cris... Solar-driven interfacial water evaporation technology offers a zero-carbon,sustainable solution for extracting clean water from seawater and wastewater,presenting an effective strategy to address the global water crisis.This study has employed finite element simulation to investigate the solar interfacial evaporation process,elucidating the interactions between heat,water,and salt during evaporation.Additionally,the internal water channels of the evaporator are optimized and designed using topology optimization techniques.In this project,a cylindrical evaporator model with vertical micropores is developed from carbon-based polymer materials.The impact of pore diameter and spacing on the evaporation rate is analyzed,alongside the effects of thermal conductivity,solar radiation intensity,and ambient wind speed on the evaporator's performance.Simulations have revealed that with a pore diameter of 20μm and a spacing of 0.55 mm,the evaporator achieves the highest evaporation rate of 0.91 kg·m^(-2)·h^(-1).The findings indicate that smaller pore sizes substantially enhance the evaporation rate,while larger pore spacings initially increase,and then decrease the rate.Further optimization involves using 20μm-diameter round pores and adjusting the cross-sectional shapes of the pores based on topological configurations with a material volume factor of 0.5.The optimized structure demonstrates an evaporation rate of 2.91 kg·m^(-2)·h^(-1),representing a 219.78%increase over the unoptimized design.These optimized structures and simulation results provide valuable insights for future evaporator designs. 展开更多
关键词 solar interface evaporation topology optimization heat and mass transfer numerical simulation
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考虑过渡界面的机械超材料热弹性能调控方法
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作者 王昱 姚凯斌 +1 位作者 张文鹏 张文杭 《机械设计与制造》 北大核心 2025年第9期197-200,208,共5页
机械超材料因其性能的高度可设计性备受关注。鉴于基体材料过渡界面对机械超材料性能的影响,针对由拓扑优化方法设计的具有特殊热弹性能的机械超材料,提出一种通过基体材料过渡界面的物理属性和几何参数调控材料宏观性能的方法。首先基... 机械超材料因其性能的高度可设计性备受关注。鉴于基体材料过渡界面对机械超材料性能的影响,针对由拓扑优化方法设计的具有特殊热弹性能的机械超材料,提出一种通过基体材料过渡界面的物理属性和几何参数调控材料宏观性能的方法。首先基于多相基体材料单胞模型,构建平滑-投影方法对过渡界面进行识别;然后,调节平滑处理的过滤半径来控制界面区域的宽度,并用插值函数表征界面区域的材料属性;最后,采用数值均匀化方法计算单胞的等效热弹性能,并分析过渡界面对机械超材料等效热弹性能的调控机制。数值分析结果表明:通过调节基体材料过渡界面参数,可在同一单胞拓扑构型下调控材料的热膨胀系数,为机械超材料设计提供了一种新型的等效性能调控方法。 展开更多
关键词 机械超材料 热弹性性能 过渡界面 拓扑优化
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电控盖板螺栓结合面建模及辐射噪声抑制
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作者 苏永雷 张志飞 《机械工程学报》 北大核心 2025年第17期161-170,共10页
针对电控盖板结合面螺栓线性模拟导致性能偏差较大的工程问题,采用有限元模态分析、试验模态分析与集成优化相结合的技术手段,提出一种虚拟材料层分块建模及参数辨识方法,根据电控盖板结构特征,提出噪声评估方法并完成结构设计优化。考... 针对电控盖板结合面螺栓线性模拟导致性能偏差较大的工程问题,采用有限元模态分析、试验模态分析与集成优化相结合的技术手段,提出一种虚拟材料层分块建模及参数辨识方法,根据电控盖板结构特征,提出噪声评估方法并完成结构设计优化。考虑电控盖板螺栓结合面刚度非均匀分布的特点,提出改进的虚拟材料层法,对虚拟材料层进行分块处理,以模态仿真值与模态试验值的平均偏差最小为优化目标,采用代理模型优化求解并确定虚拟材料层参数,提升建模精度。以关注频段的最大等效辐射声功率最小化为优化目标,低频段的多阶模态满足设定值为约束条件,控制加强筋体积分数以保持轻量化设计,在考虑工艺性基础上开展电控盖板结构拓扑优化,参考拓扑优化结果改进电控盖板加强筋结构,通过虚拟验证和试验验证,确认优化方案的噪声改善效果。结果表明:改进虚拟材料层法可使前六阶模态的平均偏差从4.29%降低到0.12%;盖板结构优化后,在1 400~2 200 Hz频率范围内,辐射噪声在一定程度上得到改善,说明优化技术路线的有效性。 展开更多
关键词 螺栓结合面 虚拟材料层 代理模型 拓扑优化 辐射噪声
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地质构造知识引导的三维复杂多值界面拓扑优化方法
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作者 刘思通 朱庆 +6 位作者 吴浩宇 丁雨淋 郭永欣 王强 胡翰 郝蕊 卢文龙 《测绘地理信息》 2025年第3期73-79,共7页
针对复杂艰险山区铁路工程沿线地层岩性种类多、地质界面拓扑结构复杂,三维地质建模时地层交界处的多值界面拓扑一致性难以准确表征,本文设计了一种地质构造知识引导的三维复杂多值界面拓扑检测与优化方法。首先根据侵入接触、断层接触... 针对复杂艰险山区铁路工程沿线地层岩性种类多、地质界面拓扑结构复杂,三维地质建模时地层交界处的多值界面拓扑一致性难以准确表征,本文设计了一种地质构造知识引导的三维复杂多值界面拓扑检测与优化方法。首先根据侵入接触、断层接触等不同类型的地质构造特征,建立有向骨架树显式表达各模型单元之间的拓扑关系;然后使用有符号距离场将显式模型转换为隐式几何模型,依据地质构造类型、建模精度等级及专家经验知识,使用构造实体几何法重构距离场模型,优化各模型单元之间存在的交叠或空腔问题。以典型地质环境为例,验证了该方法的有效性,构建了空间连续的地质模型,为后续铁路工程沿线地质风险数值模拟分析提供了拓扑关系一致的三维地质模型。 展开更多
关键词 地质构造 有向骨架树 拓扑关系 多值界面拓扑优化
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高铝硅体系汽车玻璃表面功能化蚀刻机理与制程创新
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作者 李文侠 《价值工程》 2025年第24期4-7,共4页
本研究聚焦于无机非金属材料表面工程领域,针对SiO_(2)-Al_(2)O_(3)-RO系汽车玻璃((Al_(2)O_(3)>5wt%)的防眩光蚀刻技术瓶颈,创新性地提出了双相螯合调控蚀刻机制。通过建立边缘选择性钝化解耦模型,开发了阶梯式反应控制工艺体系。... 本研究聚焦于无机非金属材料表面工程领域,针对SiO_(2)-Al_(2)O_(3)-RO系汽车玻璃((Al_(2)O_(3)>5wt%)的防眩光蚀刻技术瓶颈,创新性地提出了双相螯合调控蚀刻机制。通过建立边缘选择性钝化解耦模型,开发了阶梯式反应控制工艺体系。研究首次揭示了Al^(3+)边缘富集导致的钝化效应机制,通过EDTA-2Na/柠檬酸协同络合体系成功消除了Al^(3+)富集效应,使边缘粗糙度Ra值从初始的1.2μm显著优化至0.38±0.05μm。基于流体动力学与化学反应耦合模型,蚀刻均匀性提升至95.2%的高水平。通过响应曲面法确立的稳健工艺参数窗口,量产良率从初始的6%突破至92.4%的行业领先水平。经G8.5产线验证,产品关键光学性能指标CPK>1.45,年经济效益提升超过560万美元。本技术为特种玻璃表面功能化处理提供了全新的技术范式。 展开更多
关键词 硅铝酸盐玻璃 化学蚀刻 界面调控 制程能力指数 表面拓扑工程 流体动力学 络合反应 工艺优化
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高动态透明性主手的优化设计
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作者 赵臣 维加 许炜泽 《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》 EI CSCD 北大核心 2017年第2期159-166,共8页
动态透明性是主手的核心性能之一,直接影响到主手的力感精度以及操作者的疲劳感.为了提高动态透明性,采用弱不平衡设计与结构拓扑优化,在减少惯性力的同时考虑了主手形变的影响.通过研究优化过程中表观质量的变化规律以及主手末端的变... 动态透明性是主手的核心性能之一,直接影响到主手的力感精度以及操作者的疲劳感.为了提高动态透明性,采用弱不平衡设计与结构拓扑优化,在减少惯性力的同时考虑了主手形变的影响.通过研究优化过程中表观质量的变化规律以及主手末端的变形特点,提出了一种拓扑优化方案,使主手全局表观质量与标称位置处的表观质量明显减少.研究结果表明,主手全局表观质量与标称位置处表观质量分别减少了28.2%,和32.0%,,而100,g以内的表观质量所占面积比例增加了27.6%,,该方法可以使设计出的主手具有良好的动态性能. 展开更多
关键词 主手 动态透明性 弱不平衡 拓扑优化
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含吸声材料的变边界声振耦合拓扑优化研究 被引量:3
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作者 王旭东 王德石 刘宝 《华中科技大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第10期93-98,共6页
根据水中结构的声振耦合理论,考虑了流体与结构耦合面随优化过程发生改变的情况,发展了一种含吸声材料的拓扑优化算法.由交界面相容性条件,采用阻尼边界层的模型描述吸声材料层,建立了声-结构相互作用的声振耦合模型.进一步结合双向渐... 根据水中结构的声振耦合理论,考虑了流体与结构耦合面随优化过程发生改变的情况,发展了一种含吸声材料的拓扑优化算法.由交界面相容性条件,采用阻尼边界层的模型描述吸声材料层,建立了声-结构相互作用的声振耦合模型.进一步结合双向渐进结构优化算法优化结构,以一阶或多阶固有频率最大化为目标函数,对水中结构进行优化.结果表明:采用耦合模型计算的固有频率和振型与数值软件的结果符合较好,计算结果可信;该算法收敛较快,数值稳定性较好;所提出的优化方法通过流体与结构材料适当地重新分布,在等体积约束条件下可大幅提高耦合固有频率;在体积缩减的条件下实现最大限度地避免固有频率的降低. 展开更多
关键词 变耦合边界 声振耦合 拓扑优化 固有频率 多目标优化
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考虑界面力学性能的组件及结构的协同优化 被引量:1
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作者 马晶 赵明宣 +2 位作者 王浩淼 刘湃 亢战 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第6期1758-1768,共11页
包含多个内嵌功能组件及支撑结构的多组件结构因其轻量化、多功能等优良特性被广泛应用于航空航天等领域.已有的多组件结构拓扑优化研究大多基于理想界面假设,忽略了材料连接界面可能发生的破坏.本文针对包含多个内嵌式功能性组件的结构... 包含多个内嵌功能组件及支撑结构的多组件结构因其轻量化、多功能等优良特性被广泛应用于航空航天等领域.已有的多组件结构拓扑优化研究大多基于理想界面假设,忽略了材料连接界面可能发生的破坏.本文针对包含多个内嵌式功能性组件的结构,考虑连接界面的力学性能,对组件的形状、布局及支撑材料的拓扑进行协同优化,以实现多组件结构的优良承载性能.首先,基于超椭圆模型对内嵌组件的形状及布局进行显式的参数化描述,并构造其水平集函数表达;进而,结合组件及支撑材料的水平集拓扑描述、内聚力模型及扩展有限元方法(extended finite element method,XFEM),在固定网格下对随优化迭代不断演化的结构拓扑及连接界面的力学性能进行准确描述;进一步,建立水平集法框架下考虑界面力学性能的多组件结构拓扑优化列式,基于伴随变量法推导解析的灵敏度并采用梯度优化算法求解优化问题.本文采用该优化框架分别对内嵌组件的悬臂梁和MBB梁进行协同优化,在优化过程中,发现组件的初始布局对最终设计有很大的影响,并且可能导致不良结构.为了避免此情况,本文提出了两个阶段的优化策略,即首先对组件布局和形状进行优化,再进行结构和内嵌组件的协同优化.数值结果显示,在优化结果中功能性组件及界面通常分布于结构受压应力作用的区域,且连接界面最优形状呈现为曲率较小的光滑曲线,该设计避免界面发生拉伸及剪切破坏,有效提高了结构的承载力,同时也表明了本文所提出考虑连接界面力学性能拓扑优化方法的有效性. 展开更多
关键词 拓扑优化 内嵌式组件 连接界面 内聚力模型 扩展有限元
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Ultra-broadband edge-state pair for zigzag-interfaced valley Hall insulators 被引量:1
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作者 Jinhao Zhang Fengwen Wang +2 位作者 Ole Sigmund Liang Gao Rasmus E.Christiansen 《Science China(Physics,Mechanics & Astronomy)》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第5期81-89,共9页
The existence of a single topologically protected edge state in the first bulk bandgap for acoustic/elastic valley Hall insulators(VHIs)with zigzag interface configurations(ZICs)is well known.However,in this work,we s... The existence of a single topologically protected edge state in the first bulk bandgap for acoustic/elastic valley Hall insulators(VHIs)with zigzag interface configurations(ZICs)is well known.However,in this work,we show that an ultra-broadband edgestate pair in this bandgap can be created using the inverse design by topology optimization.The valley Hall insulator design increases the operational bandwidth 121%compared with an existing valley Hall insulator from recent literature and exhibits extreme field confinement,where more than 99%of the field intensity is concentrated within three unit-cells from the interface.One-way propagation and topological robustness towards small cavity defects are confirmed for the full bandwidth.The exploitation of such edge-state pairs of valley Hall insulators opens an avenue for realizing broadband confined edge modes.In tests for disorder and bend defects,we show that the additional ZIC,with a different operational frequency interval,encountered at the defects,degrades the transmission for bend and disorder defects which may prove significant for the application of VHIs.Through an alternative topology optimization method based on two ZICs,we further increase their common operational bandwidth. 展开更多
关键词 valley Hall insulators zigzag interface configuration edge-state pair topology optimization
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钢铝复合铸造界面设计及组织调控
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作者 范昊天 郭冰鑫 +4 位作者 王宇 孔翔 徐宏 毛红奎 武俊腾 《铸造》 CAS 北大核心 2023年第10期1250-1259,共10页
钢/铝复合结构融合了钢和铝合金各自的优点,在工业生产尤其是汽车制造中被广泛应用。为了提高钢/铝复合界面的结合强度,本研究提出利用拓扑优化将钢基体表面设计成多孔点阵结构,熔融铝合金流入多孔结构,与钢基体形成机械咬合和冶金结合... 钢/铝复合结构融合了钢和铝合金各自的优点,在工业生产尤其是汽车制造中被广泛应用。为了提高钢/铝复合界面的结合强度,本研究提出利用拓扑优化将钢基体表面设计成多孔点阵结构,熔融铝合金流入多孔结构,与钢基体形成机械咬合和冶金结合相配合的双向互穿界面,增加界面结合强度。本文研究了铸造方式、孔隙率、浇注温度对钢/铝界面显微组织和力学性能的影响。结果表明,挤压铸造有助于熔融铝合金充入多孔结构,宏观上钢/铝界面处不存在缝隙。从微观形貌观察,随着孔隙率的增加,挤压铸造下钢/铝界面处的缝隙逐渐减小,剪切强度逐渐增加,当孔隙率为70%,浇注温度为730℃时,钢/铝界面处不存在缝隙且无冶金结合。对孔隙率70%的点阵结构进行改进后,当熔融铝合金的浇注温度为760℃时,钢/铝界面形成厚度为2μm的Al_(4.5)FeSi相金属间化合物,钢/铝界面剪切强度为118.1MPa。 展开更多
关键词 钢/铝复合铸造 拓扑优化 点阵结构 剪切强度 双相互穿界面
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面向装配结构的拓扑优化参数影响分析 被引量:2
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作者 林起崟 贾一鸣 +2 位作者 周意葱 王晨 洪军 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第15期291-303,共13页
随着当前精密与超精密加工技术水平的提升,单个机械零部件的加工质量已经能够满足精度要求,但是现有的装配结构的质量却难以保障。为了提高面向装配结构连接性能拓扑优化方法的鲁棒性,同时给加工制造提供多种拓扑优化布局,以弹性装配结... 随着当前精密与超精密加工技术水平的提升,单个机械零部件的加工质量已经能够满足精度要求,但是现有的装配结构的质量却难以保障。为了提高面向装配结构连接性能拓扑优化方法的鲁棒性,同时给加工制造提供多种拓扑优化布局,以弹性装配结构为优化对象,对装配接触结构拓扑优化过程中优化参数对优化过程的影响进行分析。基于不同过滤半径对优化结果的影响规律,引入“各向异性过滤”方法,消除了装配体拓扑优化过程中出现的“界面效应”。另外为提高所优化结构的可加工制造性,引入两种最小长度控制方法,对两者的优化效果进行对比分析讨论,最终保证拓扑优化设计结果的可加工制造性。最后分析了光滑Heavside函数中锐度因子与阈值参数对优化结果的影响机制。 展开更多
关键词 装配接触压力 拓扑优化 装配界面设计 优化参数分析 加工制造性
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利用项目界面动力 促进项目进展又好又快
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作者 张新民 《电力建设》 2008年第1期83-85,共3页
在项目生命周期中,各种事物的运动形成了许多的项目管理界面。正是项目界面的运动和变化改变着项目的发展过程。项目界面蕴含着影响力、系统动力、创造力,更有着可拓性质,是促进项目进展又好又快的动力源泉。
关键词 项目界面 界面动力 拓扑空间 优化管理
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