多相材料结构拓扑优化:体积约束还是质量约束?

针对拓扑优化设计中多年沿用的体积约束作为控制材料用量的思路,研究了采用质量约束开展多相材料结构拓扑优化的新方法,提出了相应的质量约束结构优化问题模型和材料插值模型.通过研究广义SIMP模型和对等混合模型两类多相材料属性插值方法,发现广义SIMP插值模型导致质量约束具有复杂的非线性特征,给优化问题的全局寻优和数值求解带来困难;采用的线性对等混合材料插值策略保证质量约束函数具有线性和变量可分离特征,为拓扑设计问题的数值求解,特别是凸规划寻优提供了极大便利.算例表明多相材料插值策略和结构优化模型的正确性和有效性;优化设计结果的比较说明了使用质量约束相对于体积约束的合理性和必要性,阐述了质量约束在解决结构轻量化布局设计问题的有效性以及所带来的显著收益.