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.
拓扑优化 内嵌式组件 连接界面 内聚力模型 扩展有限元