In this contribution, we present an extension of the thermodynamic topology optimization that accounts for a non-linear material behavior due to the evolution of plastic strains. Physically, a plastic material behavior is characterized by a hysteresis in the stress/strain diagram after loading and unloading. In contrast, topology optimization is usually employed for a time-invariant load and the optimized component will only be loaded during physical use. Still, a virtual increase and decrease of strains, i.e., an unphysical evolution of the strains during the optimization process, is locally observed due to the evolution of the structure and thus modulation of the stiffness. If a classical plasticity model is employed for this unphysical ``loading'' and ``unloading'', incorrect strain and stress states are computed due to the apparent energy dissipation and hysteresis in the stress/strain diagram. Therefore, this problem is usually resolved by recomputing the physical behavior for each optimization step: the initial conditions are refreshed by deleting all plastic strains computed for the previous optimization step. This restores the virgin state for the updated topology. The plastic strains are subsequently determined by evaluating the classical plasticity model which requires a discretization of the loading which results in several finite element simulations. After the correct plastic strains have been found, the next update step for the topology optimization is performed. To avoid this time-consuming procedure, we develop a novel surrogate material model that allows to correctly account for the physical state in terms of the plastic strains. Hence, finite element simulations purely for the plastic material behavior become obsolete such that the optimization of plastic materials now consumes comparable computation times as the optimization of elastic materials.
翻译:在此贡献中, 我们展示了热力表层优化的延伸, 其中包括由于塑料菌株的演进而导致的非线性材料行为。 物理上, 塑料材料行为在装货和卸货后的压力/ 压力/ 压力图中具有歇斯底里的特点。 相反, 表面优化通常用于时间变化的负荷, 优化的成分只在物理使用时才会被装入。 然而, 菌株的虚拟增长和减少, 即在优化过程中, 由于结构的演进而在当地观察到了一种非线性材料行为。 从物理上看, 塑料物质行为在结构的演进, 从而调节僵硬性。 如果对这个不物理“ 装载” 和“ 装载” 的图表使用经典的塑料行为模式。 相反, 压力和压力状态的计算是由于明显的能量消散, 而优化的成分在物理上位时, 这一问题通常通过对每个优化步骤的物理行为进行重新校正的模型来解决: 初始条件通过删除所有为前一个整步骤计算的塑料菌质质变变的步伐而得到更新 。 这样, 将恢复了一个可比较的刻性变的刻性变的 。 。 。 重新的刻值在后, 的刻内, 我们的 的 的 的 的 的 的 的 的 重新 重新的 的 的 的 的 重新的 重新的 的 的 重新的 重新 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 重新的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的