利用拓扑优化ESO算法进行悬臂梁的优化代码示例 使用Python语言实现

时间: 2023-07-16 14:12:07 浏览: 79
下面是一个基于Python的拓扑优化ESO算法的悬臂梁优化代码示例: ```python import numpy as np from scipy.sparse import lil_matrix from scipy.sparse.linalg import spsolve # 定义悬臂梁问题的参数 nelx, nely = 80, 40 # 模型的尺寸 volfrac = 0.4 # 材料的体积分数 penal = 3.0 # 惩罚参数p rmin = 3.0 # 最小半径r # 初始化设计变量和有限元分析参数 x = volfrac * np.ones(nely * nelx, dtype=float) xmin = np.zeros(nely * nelx, dtype=float) xmax = np.ones(nely * nelx, dtype=float) dc = np.zeros(nely * nelx, dtype=float) ke = np.array([[1, 0, -1, 0], [0, 0, 0, 0], [-1, 0, 1, 0], [0, 0, 0, 0]]) # 单元刚度矩阵 edofMat = np.zeros((nelx * nely, 4), dtype=int) iK = np.zeros((2 * (nelx + 1) * (nely + 1),), dtype=int) jK = np.zeros((8 * nelx * nely,), dtype=int) K = np.zeros((8 * nelx * nely,), dtype=float) F = np.zeros((2 * (nely + 1) * (nelx + 1),), dtype=float) U = np.zeros((2 * (nely + 1) * (nelx + 1),), dtype=float) fixeddofs = np.union1d(np.where(np.abs(x - 1) < 1e-5)[0], np.array([2 * (nely + 1) * (nelx + 1) - 2, 2 * (nely + 1) * (nelx + 1) - 1])) # 定义有限元分析的函数 def FE(x): # 初始化刚度矩阵和载荷向量 K *= 0 F *= 0 for elx in range(nelx): for ely in range(nely): n1 = (nely + 1) * elx + ely n2 = (nely + 1) * (elx + 1) + ely edof = np.array([2 * n1, 2 * n1 + 1, 2 * n2, 2 * n2 + 1], dtype=int) edofMat[nely * elx + ely, :] = edof K00 = x[n1] ** penal K01 = x[n1] * x[n2] ** penal K10 = K01 K11 = x[n2] ** penal K[np.ix_(edof, edof)] += ke * np.array([[K00, K01], [K10, K11]]) # 设置载荷向量 F[1] = -1 # 移除固定自由度 K, F = K[np.ix_(np.setdiff1d(range(2 * (nely + 1) * (nelx + 1)), fixeddofs),), np.ix_(np.setdiff1d(range(2 * (nely + 1) * (nelx + 1)), fixeddofs),)] \ , F[np.setdiff1d(range(2 * (nely + 1) * (nelx + 1)), fixeddofs)] # 解算有限元方程 U[np.setdiff1d(range(2 * (nely + 1) * (nelx + 1)), fixeddofs),] = spsolve(K, F) # 计算材料敏感度分布 for elx in range(nelx): for ely in range(nely): n1 = (nely + 1) * elx + ely n2 = (nely + 1) * (elx + 1) + ely edof = np.array([2 * n1, 2 * n1 + 1, 2 * n2, 2 * n2 + 1], dtype=int) u_e = U[edof] dc[n1] += (x[n1] ** penal) * np.dot(u_e.T, np.dot(ke, u_e)) dc[n2] += (x[n2] ** penal) * np.dot(u_e.T, np.dot(ke, u_e)) return np.sum((F * U)[0]) # 定义拓扑优化的函数 def topopt(nelx, nely, volfrac, penal, rmin): xold = np.ones(nely * nelx, dtype=float) x = np.ones(nely * nelx, dtype=float) loop = 0 change = 1 while change > 0.01 and loop < 50: loop += 1 xold[:] = x # 计算材料敏感度分布 dc *= 0 obj = FE(x) # 计算最小密度和最大密度 xmin = np.zeros(nely * nelx, dtype=float) xmax = np.ones(nely * nelx, dtype=float) xPhys = x.copy() for i in range(50): # 计算移动平均滤波器 xPhys = np.minimum(np.maximum(xPhys, 0.001), 0.999) if rmin > 0: nfilter = int(np.ceil(2 * rmin / 2)) H = np.zeros((nfilter * 2 + 1, nfilter * 2 + 1)) for i1 in range(-nfilter, nfilter + 1): for j1 in range(-nfilter, nfilter + 1): r = np.sqrt(i1 ** 2 + j1 ** 2) if r <= rmin: H[i1 + nfilter, j1 + nfilter] = 0.5 * (rmin + np.cos(np.pi * r / rmin) * rmin) else: H[i1 + nfilter, j1 + nfilter] = 0.5 * (rmin + 1.5 * (r - rmin)) H /= np.sum(H) # 应用移动平均滤波器 xPhys = np.asarray([np.sum(H * xPhys[il: il + 2 * nfilter + 1, jl: jl + 2 * nfilter + 1]) for il in range(nelx) for jl in range(nely)]) # 更新设计变量 xnew = np.zeros(nely * nelx, dtype=float) for i in range(nely * nelx): l = np.maximum(i - nely, 0) r = np.minimum(i + nely, nely * nelx - 1) t = np.maximum(i % nely - 1, 0) b = np.minimum(i % nely + 1, nely - 1) nbrs = [i, l, r, t, b] dcnbrs = dc[nbrs] xnbrs = xPhys[nbrs] if x[i] < 0.001: xnew[i] = 0 elif x[i] > 0.999: xnew[i] = 1 else: # 计算敏感度加权平均密度 xnew[i] = np.sum(xnbrs * dcnbrs) / np.sum(dcnbrs) # 通过投影算法确保密度在[0,1]之间 xnew = np.minimum(np.maximum(xnew, 0), 1) change = np.max(np.abs(x - xnew)) x[:] = xnew # 打印迭代信息 print("Iteration: {0:3d} Obj: {1:.4f} Vol: {2:.4f} ch: {3:.4f}".format( loop, obj, np.mean(x), change)) return x # 运行拓扑优化 xOpt = topopt(nelx, nely, volfrac, penal, rmin) ```
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