Topology Optimization 99
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2022-03-14 19:47:02
...
[MATLAB]拓扑优化99行代码
% a 99 line topology optimization code by Ole Sigmund,October 1999
%example 60,20,0.5,3,1.5
function top99(nelx,nely,volfrac,penal,rmin)
%% initialize 初始化
x(1:nely,1:nelx)=volfrac;
loop=0;
change=1;
%% start ineration 开始迭代
while change>0.01
loop=loop+1;
xold=x;
% FE analysis 有限元分析
[U]=FE(nelx,nely,x,penal); % 有限元模型分析,将计算得到的各个节点位移值保存在数组U中
% objective function and sensitivity analysis 目标函数和灵敏度分析
[KE]=lk; % 计算单元刚度阵 lk
c=0.; % 保存目标函数(柔度)的变量
for ely=1:nely
for elx=1:nelx
n1=(nely+1)*(elx-1)+ely;
n2=(nely+1)*elx +ely;
Ue=U([2*n1-1;2*n1;2*n2-1;2*n2;2*n2+1;2*n2+2;2*n1+1;2*n1+2],1); % 从数组 U 中根据节点*度编号 提取该单元的 位移向量
c=c+x(ely,elx)^penal*Ue'*KE*Ue; % 使用SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)材料插值模型
dc(ely,elx)=-penal*x(ely,elx)^(penal-1)*Ue'*KE*Ue; % 求导,计算灵敏度
end
end
%% filtering of sensitivities 敏度过滤
[dc]=check(nelx,nely,rmin,x,dc); %灵敏度过滤,为了边界光顺一点
% design update by the optimality criteria method 用最优性准则方法进行设计更新
[x]=oc(nelx,nely,x,volfrac,dc);
%% print result
change=max(max(x-xold)) %计算x的改变量
disp(['It.:' sprintf( '%4i',loop) ' Obj.:' sprintf(' %10.4f',c) ...
' Vol.:' sprintf('%6.3f',sum(sum(x))/(nelx*nely)) ...
' ch.:' sprintf('%6.3f',change)])
%% plot densities 优化结果的图形显示
colormap(gray);imagesc(-x);axis equal;axis tight; axis off;pause(1e-6);
end
%% FE analysis 有限元求解子程序
function [U]=FE(nelx,nely,x,penal)
[KE]=lk;
K=sparse(2*(nelx+1)*(nely+1),2*(nelx+1)*(nely+1));
F=sparse(2*(nely+1)*(nelx+1),1);
U=sparse(2*(nely+1)*(nelx+1),1);
for elx=1:nelx
for ely=1:nely
n1=(nely+1)*(elx-1)+ely;
n2=(nely+1)*elx +ely;
edof=[2*n1-1;2*n1;2*n2-1;2*n2;2*n2+1;2*n2+2;2*n1+1;2*n1+2];
K(edof,edof)=K(edof,edof)+x(ely,elx)^penal*KE;
end
end
%% define loads and supports 定义负载和支撑
F = sparse(2*(nely+1)*(nelx+1),1,-1,2*(nely+1)*(nelx+1),1);
fixeddofs = union([1:1:2*(nely+1)],[1]);
alldofs =[1:2*(nely+1)*(nelx+1)];
freedofs =setdiff(alldofs,fixeddofs);
% solving 求解
U(freedofs,:)=K(freedofs,freedofs)\F(freedofs,:);
U(fixeddofs,:)=0;
%% mesh-independency filter 过滤器
function [dcn]=check(nelx,nely,rmin,x,dc)
dcn=zeros(nely,nelx);
for i=1:nelx
for j=1:nely
sum=0.0;
for k=max(i-floor(rmin),1):min(i+floor(rmin),nelx)
for l=max(j-floor(rmin),1):min(j+floor(rmin),nely)
fac=rmin-sqrt((i-k)^2+(j-l)^2);
sum=sum+max(0,fac);
dcn(j,i)=dcn(j,i)+max(0,fac)*x(l,k)*dc(l,k);
end
end
dcn(j,i)=dcn(j,i)/(x(j,i)*sum);
end
end
%% Element stiffness matrix 单元刚度矩阵的子程序
function [KE]=lk
E=1.; %杨氏模量
nu=0.3; %泊松比
k=[1/2-nu/6 1/8+nu/8 -1/4-nu/12 -1/8+3*nu/8 ...
-1/4+nu/12 -1/8-nu/8 nu/6 1/8-3*nu/8];
KE=E/(1-nu^2)*[ k(1) k(2) k(3) k(4) k(5) k(6) k(7) k(8)
k(2) k(1) k(8) k(7) k(6) k(5) k(4) k(3)
k(3) k(8) k(1) k(6) k(7) k(4) k(5) k(2)
k(4) k(7) k(6) k(1) k(8) k(3) k(2) k(5)
k(5) k(6) k(7) k(8) k(1) k(2) k(3) k(4)
k(6) k(5) k(4) k(3) k(2) k(1) k(8) k(7)
k(7) k(4) k(5) k(2) k(3) k(8) k(1) k(6)
k(8) k(3) k(2) k(5) k(4) k(7) k(6) k(1)];
%% optimality criteria update 优化迭代模块
function [xnew]=oc(nelx,nely,x,volfrac,dc)
l1=0;
l2=100000;
move=0.2;
while (l2-l1>1e-4)
lmid=0.5*(l2+l1);
xnew =max(0.001,max(x-move,min(1.,min(x+move,x.*sqrt(-dc./lmid))))); %这里是 OC 算法的核心所在
if sum(sum(xnew))-volfrac*nelx*nely>0
l1=lmid;
else
l2=lmid;
end
end
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