进行FSI问题的拓扑优化的新方法

2021年5月6日

当开发涉及流体结构相互作用(FSI)(例如桥梁,飞机和生物医学应用)的系统时,工程师可能希望在设计过程的早期使用拓扑优化。但是,许多拓扑优化方法仅适用于学术范围内的FSI问题。研究人员开发了一种新方法来帮助减轻此问题……

FSI和拓扑优化

流体结构相互作用

流体结构相互作用(FSI)是描述流体动力学和结构力学的定律之间的多物理学耦合。在设计各种系统(例如汽车,飞机和航天器)时,对FSI的核算至关重要。如果这些影响被忽略,则可能导致灾难。

1940年,塔科马(Tacoma)变窄的塔科马(Tacoma)狭窄桥梁的黑白照片。
塔科马(Tacoma)在1940年崩溃了。Wikimedia Commons

1940年11月,悲剧袭击了华盛顿的塔科马塔科马窄桥开业仅四个月后倒塌。在破坏之时,它是世界上第三长的悬架桥,连接塔科马和基萨普半岛。

最初,许多人认为这座桥由于共鸣而崩溃,但此后我们得知这是航空弹性弹力的结果。这种大规模的结构设计失败表明了研究FSI的重要性,尤其是在设计长跨桥时。(此后,Tacoma Narrows Bridge已被重建为一对双悬架桥)。

FSI在建模血流中也起着重要作用。例如,生物医学工程师可以模拟FSI,以准确预测人心脏瓣膜并解决各种心脏健康问题。

通过在彩虹颜色表中建模的心脏瓣膜的血液流动的模拟,这是一个常见的FSI问题。
心脏瓣膜开口的FSI模型,显示速度幅度和表面结构应力。红色表示低速(下游阀后面)和高速度(在中心孔口),紫色表示高应力值。

拓扑优化

拓扑优化是优化的三个主要类别之一(其他两个是参数和形状优化)。

拓扑优化是一种非常强大的工具,因为它可以帮助我们生成具有目标功能和一组约束的工程结构的新拓扑结构。但是,其用途通常仅限于单物体设计(参考。1)。

考虑到这个问题,圣保罗大学和加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员着手开发一种新方法,用于将拓扑优化方法应用于设计依赖于设计的FSI负载的结构。

将新的拓扑优化方法集成到MATLAB®的Livelink™中

在圣保罗大学(USP),研究人员正在努力提高天然气的可持续使用。由于他们的大部分工作都涉及FSI问题,USP的多物理系统优化实验室(MSOL)开发了一种新的方法,用于将拓扑优化方法,二进制结构(TOBS)的拓扑优化(TOBS)集成到FEA软件包中,comsol188金宝搏优惠通过Livelink™,Multiphysics®软件为了MATLAB®接口产品。

TOBS方法(参考。2)最近由Renato Picelli(以前是英国加的夫大学的博士后同学)和Raghavendra Sivapuram(加利福尼亚大学圣地亚哥分校)独立开发。该方法使用顺序近似问题。灵敏度过滤;整数线性编程;和二进制设计变量,在处理依赖设计的物理相互作用时很有帮助。USP的MSOL组开发了一个基于几何修剪(GT)的框架,从而为流体结构设计创建了TOBS-GT方法。(在此中了解有关实施此方法的更多信息参考。1

用于FSI设计的TOBS-GT算法的示意图,标有零件。
展示了用于流体结构设计的TOBS-GT算法的图。

圣保罗大学的博士后助理,USP的MSOL集团成员Shahin Ranjbarzadeh说:“一开始,TOBS方法刚刚应用于结构的拓扑优化。通过开发TOBS-GT,我们将这个想法应用于涉及层流,湍流和非牛顿流的流体结构相互作用问题。”这项工作是考虑FSI问题中整数线性编程的首次尝试。

使用Livelink™加入TOBS方法的主要好处为了MATLAB®是结果中没有灰度,因为TOBS方法基于二进制设计变量(0,1)。Ranjbarzadeh说:“由于TOBS方法基于零,因此我们在拓扑优化结果中没有任何中间值。”此外,使用TOBS-GT,我们可以根据物理要求调整网格。

为了强调提出方法的特征,研究人员分享了其在2020年发表的论文施普林格,他们的第一个发表的作品展示了该方法。

气动设备

Ranjbarzadeh说:“当我们撰写第一篇论文时,我们正在寻找一个真正的应用程序。”最终,研究人员选择展示该方法在FSI负载下降低线性弹性系统依从性的能力,这均受体积约束。所有示例均显示出平滑收敛的结果。

研究论文中的一些示例是基于气动设备的。

Ranjbarzadeh说:“我认为这种方法将有很大帮助预测气动设备的故障,例如压缩机或旋转应用程序。”

在彩虹颜色表中可视化的FSI问题拓扑优化的8个模拟结果的网格。
FSI拓扑优化解决方案,以最低结构合规性,但受单个全局体积约束(左)的约束。密封拓扑优化解决方案,可最小结构合规性,受到四个独立的体积约束,每堵墙一个(右)。两种彩色图突出显示了流体压力场(以PA为单位)。

3D FSI拓扑优化

除了在发表论文中证明的结果外,还进行了FSI拓扑优化的3D示例。

显示灰色(a)中模拟域的拼贴,彩虹流线(B)中3D FSI拓扑优化问题的仿真结果以及优化结构(C)的不同视图。
3D FSI拓扑优化结构域(A),3D溶液,用于最小结构符合流体速度流线(B),以及在层流载荷下3D优化结构(C)的不同视图。

未来的研究

此处介绍的方法也可用于对其他多物理相互作用进行拓扑优化。

目前,研究人员正在研究一个新项目,以相同的方法开发流体拓扑优化。“我们正在做的事情非常简单。该程序分为两部分。” Ranjbarzadeh说。首先,他们使用COMSOL多物理学解决了CFD问题。188金宝搏优惠“我们定义几何形状,网络和计算灵敏度分析。”接下来,他们对Matlab®中优化点网格的灵敏度(TOBS方法写在MATLAB®环境中)。从那里,团队计算和分析拓扑优化。重复该过程,直到解决优化问题为止。

仿真结果显示了拓扑优化的结构,其流体速度和湍流负荷在彩虹流线上建模。
正在进行的研究涉及FSI拓扑优化解决方案,以在湍流负载下最小结构遵守流体速度流线(注意:纸张正在修订中)。

参考

  1. S. Ranjbarzadeh,R。Picelli,R。Sivapuram,R。S。Gioria,E。C。N. Silva,“在设计依赖性FSI载荷下二进制结构的拓扑优化“,结构和多学科优化,卷。62,第2101–2116页,2020年。
  2. Sivapuram,R。Picelli,“使用整数线性编程对二进制结构进行拓扑优化”,,分析和设计的有限元素,卷。139,第49-61页,2018年。

MATLAB是Mathworks,Inc。的注册商标。


评论(3)

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中小企业线圈
中小企业线圈
2021年5月21日

这很棒,很棒。感谢您提供信息丰富的帖子。

Kirttayoth Yeranee
Kirttayoth Yeranee
2021年6月16日

您可以共享.mph文件(版本<5.5)吗?这样我就可以直接从文件中学习。

瑞秋·凯利(Rachel Keatley)
瑞秋·凯利(Rachel Keatley)
2021年6月17日

嗨,Kirttayoth Yeranee,

感谢您的评论!该模型文件当前无法下载,因为它来自客户研究。

最好的,
雷切尔

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