Improved strategy based on the variable density method for continuum structural topology optimization

LUO Zhaoyi; WANG Tianbo; WEI Minxiang; WU Jiang; XUE Wenshuai

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Improved strategy based on the variable density method for continuum structural topology optimization

更新时间：2025-05-28

- Improved strategy based on the variable density method for continuum structural topology optimization
- Journal of Mechanical Strength Pages: 1-10(2025)
- 作者机构：
  
  1.江苏理工学院汽车与交通工程学院，常州 213001
  2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016
  3.宁波思明汽车科技股份有限公司，宁波 315171
- 作者简介：
  
  WANG Tianbo, E-mail: wangtianbo@jsut.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52105260);Natural Science Research of Jiangsu Higher Education Institutions of China(24KJA580003;22KJA580002);Changzhou City Science and Technology Support Program Project(CE20225049);Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province(XSJCX23_55);Qinglan Engineering Project of Jiangsu
- DOI：
  CLC： TH122
- Received：13 August 2024，
  
  Revised：14 January 2025，
  
  Published Online：27 May 2025，
- 稿件说明：
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罗肇艺，王天波，魏民祥等.基于变密度法的连续体结构拓扑优化改进策略［J］.机械强度，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001.

LUO Zhaoyi，WANG Tianbo，WEI Minxiang，et al.Improved strategy based on the variable density method for continuum structural topology optimization［J］.Journal of Mechanical Strength，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001.
罗肇艺，王天波，魏民祥等.基于变密度法的连续体结构拓扑优化改进策略［J］.机械强度，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001. DOI：

LUO Zhaoyi，WANG Tianbo，WEI Minxiang，et al.Improved strategy based on the variable density method for continuum structural topology optimization［J］.Journal of Mechanical Strength，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001. DOI：

摘要

目的

为有效解决连续体结构拓扑优化中的数值不稳定性并提升优化性能，获取理想的优化结果，提出了一种基于变密度法的改进策略。

方法

首先，针对变密度法中固体各向同性材料惩罚（Solid Isotropic Material with Penalization

SIMP）模型与材料属性合理近似（Rational Approximation Material Properties

RAMP）模型在惩罚效能和收敛速度上的局限性，提出了一种改进插值模型。其次，采用Sigmund敏度过滤法消除棋盘格和网格依赖性现象。最后，设计了一种灰度抑制算子，将其集成到优化准则（Optimality Criterion

OC）法中以更新设计变量。

结果

数值研究结果表明，所提方法不仅能够提高惩罚效能和加快收敛速度，还能完全消除灰度单元，从而获得边界清晰的优化结构。

Abstract

Objective

To effectively address numerical instabilities and enhance optimization performance for achieving desirable results in continuum structural topology optimization problems

an improved strategy based on the variable density method is proposed.

Methods

Firstly

in response to the limitations of the solid isotropic material with penalization (SIMP) model and the rational approximation material properties (RAMP) model in terms of penalty efficiency and convergence speed

an improved interpolation model was proposed. Secondly

the Sigmund sensitivity filtering method was employed to eliminate checkerboard patterns and mesh dependency phenomena. Finally

a grayscale suppression operator was designed and integrated into the optimality criterion (OC) method for updating design variables.

Results

Numerical studies have demonstrated that this scheme not only improves penalty efficiency and accelerates convergence speed but also eliminates completely grayscale elements

resulting in optimized structures with clear boundaries.

关键词

Keywords

references

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