Multi-Material Topology Optimization for Spatial-Varying Porous Structures

拓扑优化 数学优化 体积分数 体积热力学 最优化问题 拓扑(电路) 多孔性 全局优化 填充 数学 计算机科学 材料科学 有限元法 工程类 结构工程 物理 组合数学 复合材料 量子力学
作者
Chengwan Zhang,Kai Long,Zhuo Chen,Xiaoyu Yang,Feiyu Lu,Jinhua Zhang,Zunyi Duan
出处
期刊:Cmes-computer Modeling in Engineering & Sciences [Computers, Materials and Continua (Tech Science Press)]
卷期号:138 (1): 369-390 被引量:1
标识
DOI:10.32604/cmes.2023.029876
摘要

This paper aims to propose a topology optimization method on generating porous structures comprising multiple materials. The mathematical optimization formulation is established under the constraints of individual volume fraction of constituent phase or total mass, as well as the local volume fraction of all phases. The original optimization problem with numerous constraints is converted into a box-constrained optimization problem by incorporating all constraints to the augmented Lagrangian function, avoiding the parameter dependence in the conventional aggregation process. Furthermore, the local volume percentage can be precisely satisfied. The effects including the global mass bound, the influence radius and local volume percentage on final designs are exploited through numerical examples. The numerical results also reveal that porous structures keep a balance between the bulk design and periodic design in terms of the resulting compliance. All results, including those for irregular structures and multiple volume fraction constraints, demonstrate that the proposed method can provide an efficient solution for multiple material infill structures.
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