This paper deals with the applications of stochastic spectral methods for structural topology optimization in the presence of uncertainties. A non-intrusive polynomial chaos expansion is integrated into a topology optimization algorithm to calculate low-order statistical moments of the mechanical-mathematical model response. This procedure, known as robust topology optimization, can optimize the mean of the compliance while simultaneously minimizing its standard deviation. In order to address possible variabilities in the loads applied to the mechanical system of interest, magnitude and direction of the external forces are assumed to be uncertain. In this probabilistic framework, forces are described as a random field or a set of random variables. Representation of the random objects and propagation of load uncertainties through the model are efficiently done through Karhunen-Lo\`{e}ve and polynomial chaos expansions. We take advantage of using polygonal elements, which have been shown to be effective in suppressing checkerboard patterns and reducing mesh dependency in the solution of topology optimization problems. Accuracy and applicability of the proposed methodology are demonstrated by means of several topology optimization examples. The obtained results, which are in excellent agreement with reference solutions computed via Monte Carlo method, show that load uncertainties play an important role in optimal design of structural systems, so that they must be taken into account to ensure a reliable optimization process.


翻译:本文涉及在存在不确定因素的情况下应用随机光谱方法优化结构表层学; 将非侵入性多元混杂扩大纳入一个地形优化算法,以计算机械-数学模型反应的低序统计时刻。 这个称为稳健的地形优化程序可以优化合规的平均值,同时尽量减少其标准偏差; 为了解决在机械系统应用的兴趣、规模和外部力量方向方面可能存在的负载差异, 假设是不确定的; 在这个概率框架中, 各种力量被描述为一个随机的字段或一组随机变量; 通过Karhunen- Lo ⁇ ⁇ e}和多元混乱扩大来高效地代表随机对象和通过模型传播负荷不确定因素。 我们利用多边元素,这些元素已证明能够有效抑制检查板模式,减少在解决表面优化问题时对中外力力量的依赖性。 在几个地形优化示例中, 将各种随机对象和通过模型传播的随机物体和负荷不确定因素的传播,通过Karhunenen-Lo{{{{{}和多种混乱现象的扩张来有效。 我们利用多边框元素来有效抑制检查检查板模式模式模式模式模式, 并减少对解决表面优化问题的依赖性的拟议方法的精确性和适用性。 通过若干地形优化性实例, 获得的结果必须通过在结构优化方法中以最优化方法中以最精确性的方式在结构化的方法进行计算, 。 在结构的计算后演算出一个精确性的方法, 的计算一个精确性的方法, 。

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