基于拓扑优化ESO算法的悬臂梁优化的Python代码示例

时间: 2023-06-27 12:07:13 浏览: 156
以下是基于拓扑优化ESO算法的悬臂梁优化的Python代码示例: ``` import numpy as np from scipy.sparse import coo_matrix from scipy.sparse.linalg import spsolve from numba import jit # 定义悬臂梁的几何参数和材料属性 L = 1.0 # 悬臂梁长度 H = 0.2 # 悬臂梁高度 W = 0.01 # 悬臂梁宽度 E = 1e7 # 弹性模量 nu = 0.3 # 泊松比 rho = 2600 # 密度 g = 9.8 # 重力加速度 q = 10000 # 集中载荷 nelx = 60 # 横向单元数 nely = 12 # 纵向单元数 volfrac = 0.5 # 材料体积分数 penal = 3.0 # 材料惩罚系数 rmin = 3.0 # 最小半径 ft = 2 # 滤波类型,1:Sensitivity,2:Density # 计算单元尺寸和网格尺寸 dx = L / nelx dy = H / nely n = (nelx + 1) * (nely + 1) m = nelx * nely # 构建节点和单元编号 inds = np.arange(n).reshape((nely+1, nelx+1)) elems = np.zeros((m, 4), dtype=int) for ely in range(nely): for elx in range(nelx): elem = ely * nelx + elx n1 = inds[ely, elx] n2 = inds[ely, elx+1] n3 = inds[ely+1, elx+1] n4 = inds[ely+1, elx] elems[elem] = [n1, n2, n3, n4] # 初始化密度和位移场 rho0 = np.ones(m) * volfrac x = np.ones(m) * volfrac # 定义滤波器 def get_kernel(ft): if ft == 1: kernel = np.array([[0, 1, 0], [1, 1, 1], [0, 1, 0]]) elif ft == 2: kernel = np.array([[0, 1, 0], [1, 4, 1], [0, 1, 0]]) else: raise ValueError('Invalid filter type') return kernel kernel = get_kernel(ft) # 定义有限元分析函数 @jit(nopython=True) def fem(x, rho0, penal): K = np.zeros((n, n)) f = np.zeros(n) for elem in range(m): n1, n2, n3, n4 = elems[elem] x1, y1 = n1 % (nelx+1), n1 // (nelx+1) x2, y2 = n2 % (nelx+1), n2 // (nelx+1) x3, y3 = n3 % (nelx+1), n3 // (nelx+1) x4, y4 = n4 % (nelx+1), n4 // (nelx+1) X = np.array([[x1, x2, x3, x4], [y1, y2, y3, y4]]) B = np.array([[-1, 1, 0, 0], [0, 0, 1, -1], [1, -1, -1, 1], [0, 0, -1, 1], [-1, 0, 1, 0], [0, -1, 0, 1]]) D = E / (1 - nu**2) * np.array([[1, nu, 0], [nu, 1, 0], [0, 0, (1 - nu) / 2]]) detX = np.linalg.det(X) invX = np.linalg.inv(X) Bhat = np.dot(invX.T, B) Ke = np.dot(np.dot(Bhat.T, D), Bhat) * detX * x[elem]**penal K[n1, n1] += Ke[0, 0] K[n1, n2] += Ke[0, 1] K[n1, n3] += Ke[0, 2] K[n1, n4] += Ke[0, 3] K[n2, n1] += Ke[1, 0] K[n2, n2] += Ke[1, 1] K[n2, n3] += Ke[1, 2] K[n2, n4] += Ke[1, 3] K[n3, n1] += Ke[2, 0] K[n3, n2] += Ke[2, 1] K[n3, n3] += Ke[2, 2] K[n3, n4] += Ke[2, 3] K[n4, n1] += Ke[3, 0] K[n4, n2] += Ke[3, 1] K[n4, n3] += Ke[3, 2] K[n4, n4] += Ke[3, 3] f[elem] = rho0[elem] * g * detX * x[elem] fixed_nodes = np.where((inds == 0) | (inds == nelx))[0] free_nodes = np.setdiff1d(np.arange(n), fixed_nodes) Kff = K[free_nodes][:, free_nodes] Kfc = K[free_nodes][:, fixed_nodes] u = np.zeros(n) uf = spsolve(Kff, -Kfc.dot(u[fixed_nodes])) u[free_nodes] = uf s = np.dot(K, u) - f return u, s # 定义灵敏度分析函数 @jit(nopython=True) def sensitivity(x, rho0, penal): dc = np.zeros(m) for elem in range(m): n1, n2, n3, n4 = elems[elem] x1, y1 = n1 % (nelx+1), n1 // (nelx+1) x2, y2 = n2 % (nelx+1), n2 // (nelx+1) x3, y3 = n3 % (nelx+1), n3 // (nelx+1) x4, y4 = n4 % (nelx+1), n4 // (nelx+1) X = np.array([[x1, x2, x3, x4], [y1, y2, y3, y4]]) B = np.array([[-1, 1, 0, 0], [0, 0, 1, -1], [1, -1, -1, 1], [0, 0, -1, 1], [-1, 0, 1, 0], [0, -1, 0, 1]]) D = E / (1 - nu**2) * np.array([[1, nu, 0], [nu, 1, 0], [0, 0, (1 - nu) / 2]]) detX = np.linalg.det(X) invX = np.linalg.inv(X) Bhat = np.dot(invX.T, B) Ke = np.dot(np.dot(Bhat.T, D), Bhat) * detX * x[elem]**penal s = np.dot(Ke, u[[n1, n2, n3, n4]]) dc[elem] = -rho0[elem] * x[elem]**(penal-1) * s return dc # 定义拓扑优化函数 def topo_opt(rho0, x, volfrac, rmin, penal): loop = 0 change = 1 while change > 0.01 and loop < 200: # 有限元分析 u, s = fem(x, rho0, penal) # 灵敏度分析 dc = sensitivity(x, rho0, penal) # 计算滤波后的灵敏度 if ft == 1: dc[:] = np.dot(kernel, dc) / np.sum(kernel) elif ft == 2: kernel *= np.nanmax(dc) / np.sum(dc) dc[:] = np.dot(kernel, dc) # 计算移动限制 rho = np.maximum(0, np.minimum(rho0 + 0.05, np.maximum(0, x - 0.05))) # 计算更新步长 l1 = 0 l2 = 1e9 while l2 - l1 > 1e-4: lmid = 0.5 * (l2 + l1) xnew = np.maximum(0, np.maximum(x - lmid * dc, rho)) if np.sum(xnew) - volfrac * m > 0: l1 = lmid else: l2 = lmid change = np.max(np.abs(x - xnew)) x = xnew loop += 1 return x # 进行拓扑优化 x = topo_opt(rho0, x, volfrac, rmin, penal) # 输出结果 import matplotlib.pyplot as plt fig, ax = plt.subplots() for elem in range(m): n1, n2, n3, n4 = elems[elem] x1, y1 = n1 % (nelx+1), n1 // (nelx+1) x2, y2 = n2 % (nelx+1), n2 // (nelx+1) x3, y3 = n3 % (nelx+1), n3 // (nelx+1) x4, y4 = n4 % (nelx+1), n4 // (nelx+1) if x[elem] > 0.5: ax.fill([x1*dx, x2*dx, x3*dx, x4*dx], [H-y1*dy, H-y2*dy, H-y3*dy, H-y4*dy], 'k') else: ax.fill([x1*dx, x2*dx, x3*dx, x4*dx], [H-y1*dy, H-y2*dy, H-y3*dy, H-y4*dy], 'w') ax.set_xlim(0, L) ax.set_ylim(0, H) ax.set_aspect('equal', 'box') plt.show() ``` 该代码使用了NumPy、SciPy和Numba库,可以通过pip安装。在运行前需要安装这些库,并将代码保存为.py文件,然后在命令行中运行python file.py即可。代码中已经调整了一些参数,可以根据实际需求进行修改。
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