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面向多尺度结构优化设计的MV-CUT水平集方法研究

批准号:
12072242
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
刘辉
依托单位:
学科分类:
计算固体力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘辉

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
具有轻质高强、多功能化等优良特性的高性能构件是国家重大装备的核心组成部分,多尺度结构优化是实现高性能构件设计的有效途径。增材制造技术的迅猛发展促使多尺度结构优化设计成为前沿研究热点,但仍存在宏微观结构尺度分离、相邻微结构之间连接性差、计算量巨大和计算效率低下等具有挑战性的问题尚未得到很好的解决,成为制约多尺度结构优化设计的关键因素。本项目拟建立新的宏微观结构尺度关联的MV-CUT(Multiple Variable Cutting)水平集方法,通过将传统微结构设计问题转化为若干切割函数曲面控制问题,确保相邻微结构之间至少具有C0连续性,显著减少设计变量;发展全过程并行的多尺度有限元方法,大幅提升结构分析效率和计算规模;系统研究MV-CUT水平集方法在不同优化问题中的有效性和适用性。研究成果有望进一步推动宏微观结构一体化设计理论和方法的发展,为大规模/高分辨率结构分析和优化设计提供解决方案。
英文摘要
High-performance components with excellent characteristics such as light weight, high strength and multi-functionality are the core components of major national equipment. Multi-scale structural optimization is an effective way to achieve high-performance component design. The rapid development of additive manufacturing technology has made multi-scale structure optimization design a frontier research hotspot, but there are still challenging issues such as macro-micro structural scale separation, poor connectivity between adjacent microstructures, huge calculations, and low calculation efficiency, which are not well resolved and become key factors restricting the optimal design of multi-scale structures. This project intends to establish a new scale-associated MV-CUT (Multiple Variable Cutting) level set method, in which at least C0 continuity between adjacent microstructures will be ensured by translating the traditional optimization design of microstructures into the surface control problem of several cutting functions. This will reduce the number of design variables significantly. In addition, a fully parallel multiscale finite element method will also be developed for improving the computing efficiency and capability. Moreover, we will also systematically study the effectiveness and applicability of the MV-CUT level set method in different optimization problems. Research results are expected to further promote the development of the theory and numerical approaches about integrated design of materials and structures, and provide solutions for large-scale / high-resolution structural analysis and optimization design.
高性能构件一般具有超强承载、极端耐热、超高精度、超轻量化和高可靠性等特性,是高超飞行器、运载火箭、轨道空间站和核聚变装置等重大装备的核心组成部分。高性能构件通常在其不同位置具有不同的孔洞微结构和孔隙率,以满足多种物理性能指标和功能需求。从几何构型上看,高性能构件可视为多尺度/多孔结构,因其具有比强度高、良好的吸能/抗冲击等特性,受到了工程师们的广泛关注。设计并制备出高性能构件是工业界不懈追求的目标。多尺度结构优化是实现高性能构件设计的有效途径,通过宏微观结构构型的匹配优化设计,在宏微观尺度上充分挖掘结构与材料的潜力,突破现有设计极限。..面向多尺度结构优化设计,本项目建立了新的数据驱动MVCUT水平集多尺度结构宏微观一体化设计框架,并发展高效的大规模/高分辨率结构分析方法,确保相邻微结构之间具有完美连接性。针对不同的优化问题(刚度最大化问题、固有频率最大化问题、稳态热传导问题等),验证了该方法的有效性和普适性,实现了结构宏观布局设计与材料微结构构型设计的最佳/接近最佳匹配,发展了高效的并行多尺度有限元方法,大幅提升计算效率和规模。研究成果为大规模/高分辨率结构分析和优化设计提供解决方案,进一步推动了宏微观结构一体化设计理论和方法的发展。..该项目执行期内,项目负责人以第一或通讯作者身份在计算力学领域重要学术期刊上已经发表学术论文21篇,其中Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering(3篇)、Composite Structures(6篇)、International Journal of Heat and Mass Transfer(1篇)、Applied Mathematical Modelling(1篇)、Structural and Multidisciplinary Optimization(2篇)。此外,项目负责人以第一申请人身份申请多项国家发明专利和软著,其中授权国家发明专利4项、软件著作权4项。
基于隐式几何描述的梯度随机点阵结构多尺度建模与优化设计
  • 批准号:
    12372200
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    52万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    刘辉
  • 依托单位:
非均质材料动力响应及大位移小应变问题的多尺度有限元分析
  • 批准号:
    11402178
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    刘辉
  • 依托单位:
国内基金
海外基金