The optimization of porous infill structures via local volume constraints has become a popular approach in topology optimization. In some design settings, however, the iterative optimization process converges only slowly, or not at all even after several hundreds or thousands of iterations. This leads to regions in which a distinct binary design is difficult to achieve. Interpreting intermediate density values by applying a threshold results in large solid or void regions, leading to sub-optimal structures. We find that this convergence issue relates to the topology of the stress tensor field that is simulated when applying the same external forces on the solid design domain. In particular, low convergence is observed in regions around so-called trisector degenerate points. Based on this observation, we propose an automatic initialization process that prescribes the topological skeleton of the stress field into the material field as solid simulation elements. These elements guide the material deposition around the degenerate points, but can also be remodelled or removed during the optimization. We demonstrate significantly improved convergence rates in a number of use cases with complex stress topologies. The improved convergence is demonstrated for infill optimization under homogeneous as well as spatially varying local volume constraints.


翻译:通过局部体积限制优化多孔填充结构的优化已成为一种流行的地形优化方法。然而,在某些设计环境中,迭代优化过程只是缓慢地聚集在一起,甚至经过数百或数千次迭代之后,也根本不会缓慢地聚集在一起。这导致难以实现独特的二进制设计的区域。通过应用临界值来解释中间密度值,在大固态或空隙区域产生结果,导致低于最佳结构。我们发现,这一趋同问题与在对固态设计领域应用同样的外部力量时模拟的压力拉强场的地形有关。特别是,在所谓的三部门退化点周围区域观察到的趋同程度较低。基于这一观察,我们提议了一个自动初始化过程,将压力场的表层骨作为固体模拟元素纳入材料领域。这些元素指导了在衰变点周围的物质沉积,但在优化过程中也可以进行改造或去除。我们发现,在使用一些具有复杂压力表因的案例中,这种压力拉动场的趋同率显著提高。在统一和空间上差异的地方体积限制下实现优化的情况表明,趋同程度有所提高。

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