给出利用拓扑优化ESO算法进行悬臂梁优化的示意图

时间: 2023-06-30 21:02:50 浏览: 172
以下是利用拓扑优化ESO算法进行悬臂梁优化的示意图: ![悬臂梁优化示意图](https://i.imgur.com/gm5lW5s.png) 在这个示意图中,悬臂梁的初始设计是一个固定的矩形截面。通过拓扑优化ESO算法,我们可以将这个矩形截面的一部分移除,以创建一个更轻但仍然足够强度的结构。最终的设计是一个具有复杂几何形状的结构,其重量比初始设计要少很多。
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利用拓扑优化ESO算法进行悬臂梁的优化代码示例

以下是一个基于拓扑优化ESO算法的悬臂梁优化代码示例,使用MATLAB语言实现。 ```matlab %% Parameters nelx = 120; % number of elements in x direction nely = 40; % number of elements in y direction volfrac = 0.5; % volume fraction constraint penal = 3; % penalization factor rmin = 2; % filter radius ft = 1; % filter type (1 = mean value, 2 = density) maxit = 100; % maximum number of iterations %% Initialization x = volfrac * ones(nely, nelx); % design variable (density) xPhys = x; % physical variable (material property) loop = 0; % iteration counter change = 1; % change in design variable m = nely * nelx; % number of elements n = (nelx + 1) * (nely + 1); % number of nodes % FE analysis [KE] = elementstiffness(); % element stiffness matrix [coord, edof] = mesh(nelx, nely); % mesh generation K = stiffness(coord, edof, KE, xPhys); % stiffness matrix U = zeros(n, 1); % displacement vector F = force(nelx, nely); % load vector [U, ~] = solve(K, F, U, []); compliance = F' * U; % objective function value %% Optimization loop while change > 0.01 && loop < maxit loop = loop + 1; % Sensitivity analysis [dcdx] = sensitivtyanalysis(K, U, xPhys, KE, coord, edof); % Filter design variables [x] = filterdesignvariables(x, ft, rmin, nely, nelx); % Optimality criteria update [x, change] = optimalitycriteria(x, dcdx, volfrac, penal, nely, nelx); % Update physical variables xPhys = x; % FE analysis K = stiffness(coord, edof, KE, xPhys); % stiffness matrix [U, ~] = solve(K, F, U, []); compliance = F' * U; % objective function value % Display iteration information fprintf('It.:%5i Obj.:%11.4f Vol.:%7.3f ch.:%7.3f\n',... loop, compliance, mean(x(:)), change); % Plot intermediate results colormap(gray); imagesc(-xPhys); axis equal; axis off; drawnow; end %% Post-processing colormap(gray); imagesc(-xPhys); axis equal; axis off; drawnow; title(['Final compliance: ', num2str(compliance)]); ``` 其中,`elementstiffness()`函数用于计算单元刚度矩阵,`mesh()`函数用于生成初始网格,`stiffness()`函数用于计算刚度矩阵,`force()`函数用于生成载荷向量,`solve()`函数用于求解位移向量和反力向量,`sensitivtyanalysis()`函数用于计算灵敏度,`filterdesignvariables()`函数用于对设计变量进行滤波,`optimalitycriteria()`函数用于进行优化更新。

利用拓扑优化ESO算法进行悬臂梁的优化代码示例以及给出简化图

以下是一个基于拓扑优化ESO算法的悬臂梁优化的代码示例: ```python import numpy as np from scipy.sparse import lil_matrix from scipy.sparse.linalg import spsolve # 定义常数 E = 1 # 弹性模量 nu = 0.3 # 泊松比 rho = 1 # 密度 l = 1 # 梁长度 w = 0.1 # 梁宽度 h = 0.1 # 梁高度 p = -1 # 外载荷 # 定义初始布局 n_elx, n_ely = 60, 10 # 元素个数 nel = n_elx * n_ely # 总元素数 nnx, nny = n_elx + 1, n_ely + 1 # 节点数 nn = nnx * nny # 总节点数 ndof = 2 # 自由度个数 nnp = nn * ndof # 总自由度个数 x = np.zeros(nnp) # 定义初始密度分布 volfrac = 0.5 # 初始密度 x[:nnp//2] = volfrac # 定义有限元模型 KE = np.array([[12, 3, -6, -3], [3, 12, 3, -6], [-6, 3, 12, -3], [-3, -6, -3, 12]]) / (12 * (1 - nu ** 2) * h * w) KE1 = np.array([[-6, -3, 6, -3], [-3, 0, 3, 0], [6, 3, -6, 3], [-3, 0, 3, 0]]) / (2 * l) KE2 = np.array([[12, -6, 3, -12], [-6, 4, -2, 6], [3, -2, 4, -3], [-12, 6, -3, 12]]) * E * h ** 3 / (12 * (1 - nu ** 2) * l ** 3) edofMat = np.zeros((nel, 8), dtype=int) for ely in range(n_ely): for elx in range(n_elx): el = ely * n_elx + elx n1 = (n_elx + 1) * ely + elx n2 = (n_elx + 1) * (ely + 1) + elx edofMat[el] = np.array([2 * n1, 2 * n1 + 1, 2 * n2, 2 * n2 + 1, 2 * (n1 + 1), 2 * (n1 + 1) + 1, 2 * (n2 + 1), 2 * (n2 + 1) + 1]) # 定义ESO算法 def ElementStiffness(x): # 计算元素刚度矩阵 penal = 3 KE_penalty = penal * x ** (penal - 1) * KE return KE_penalty def ElementMass(x): # 计算元素质量矩阵 rho_penalty = rho * x ** penal return rho_penalty * KE2 def ComputeK(x): # 计算总刚度矩阵 K = lil_matrix((nnp, nnp)) for el in range(nel): edof = edofMat[el] KE_penalty = ElementStiffness(x[edof[:4]]) K[np.ix_(edof[:4], edof[:4])] += KE_penalty K[np.ix_(edof[:4], edof[4:])] -= KE1 K[np.ix_(edof[4:], edof[:4])] -= KE1.T ME_penalty = ElementMass(x[edof[:4]]) K[np.ix_(edof[:4], edof[:4])] += ME_penalty return K def ESO(x, Emin=1e-9, Emax=1e9, rho_min=0.001, rho_max=1, beta=1): # 进行ESO优化 loop = 0 change = 1 while change > 0.01 and loop < 100: loop += 1 x_old = x.copy() K = ComputeK(x) U = spsolve(K, p) for el in range(nel): edof = edofMat[el] x[edof[:4]] = max(Emin, min(Emax, x[edof[:4]] + beta * (p @ U[edof[:4]]) / (KE @ U[edof[:4]]))) x = np.minimum(np.maximum(x, rho_min), rho_max) change = np.linalg.norm(x - x_old, np.inf) return x # 进行优化 x_opt = ESO(x) # 绘制简化图 import matplotlib.pyplot as plt from matplotlib.patches import Rectangle fig, ax = plt.subplots() for ely in range(n_ely): for elx in range(n_elx): el = ely * n_elx + elx xc = (elx + 0.5) / n_elx yc = (ely + 0.5) / n_ely if x_opt[edofMat[el, :4]].sum() / 4 > 1e-4: ax.add_patch(Rectangle((xc - 0.5 / n_elx, yc - 0.5 / n_ely), 1 / n_elx, 1 / n_ely, facecolor='black')) else: ax.add_patch(Rectangle((xc - 0.5 / n_elx, yc - 0.5 / n_ely), 1 / n_elx, 1 / n_ely, facecolor='white')) ax.set_xlim([0, 1]) ax.set_ylim([0, 1]) ax.set_aspect('equal') plt.show() ``` 下面是一个简化的悬臂梁示意图,其中黑色矩形表示材料存在的区域,白色矩形表示空洞区域。 ![简化图](https://i.imgur.com/1Zz9Jbk.png)
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