Multi-material design optimization problems can, after discretization, be solved by the iterative solution of simpler sub-problems which approximate the original problem at an expansion point to first order. In particular, models constructed from convex separable first order approximations have a long and successful tradition in the design optimization community and have led to powerful optimization tools like the prominently used method of moving asymptotes (MMA). In this paper, we introduce several new separable approximations to a model problem and examine them in terms of accuracy and fast evaluation. The models can, in general, be nonconvex and are based on the Sherman-Morrison-Woodbury matrix identity on the one hand, and on the mathematical concept of topological derivatives on the other hand. We show a surprising relation between two models originating from these two -- at a first sight -- very different concepts. Numerical experiments show a high level of accuracy for two of our proposed models while also their evaluation can be performed efficiently once enough data has been precomputed in an offline phase. Additionally it is demonstrated that suboptimal decisions can be avoided using our most accurate models.


翻译:多材料设计优化问题在离散后,可以通过简单小问题的迭接解决方案来解决,这些小问题在扩展点到第一顺序时与最初的问题相近。特别是,在设计优化社区中,从孔形分流第一顺序近似的模型具有长期的成功传统,并导致强大的优化工具,如显着使用的无症状移动方法(MMA)等。在本文件中,我们为模型问题引入了几种新的可分离近似点,并从准确性和快速评估角度对其进行研究。这些模型一般是非混凝土,其依据是谢尔曼-莫里森-Woodbury矩阵特征,以及表层派衍生物的数学概念。我们显示了这两种模型 -- -- 初见即非常不同的概念 -- -- 之间的惊人关系。数字实验表明,我们提出的两种模型的准确度很高,而一旦在离线阶段预估到足够的数据后,其评价也可以有效进行。此外,还证明亚优决定可以避免使用我们最精确的模型。

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