面向设计相关压力载荷的三维结构与柔顺机构拓扑优化

本文提出一种基于密度的拓扑优化方法，用于设计具有设计相关压力载荷的三维（3D）柔顺机构和承重结构。我们采用达西定律结合排水项来获取作为设计向量函数的压力场，而非使用界面追踪技术。为确保设计演化过程中压力载荷的连续过渡，有限单元的流动系数由光滑Heaviside函数定义。所得压力场通过变换矩阵转换为一致节点载荷。所提方法采用标准有限元公式，并且允许使用伴随变量法以较低计算代价一致地计算载荷灵敏度。对于柔顺机构设计，最小化一个多准则目标；而对于承重结构设计，则最小化柔度。通过设计多种压力驱动的三维柔顺机构和结构，证明了所提方法的有效性与鲁棒性。