We propose a variational principle combining a phase-field functional for structural topology optimization with a mixed (three-field) Hu-Washizu functional, then including directly in the formulation equilibrium, constitutive, and compatibility equations. The resulting mixed variational functional is then specialized to derive a classical topology optimization formulation (where the amount of material to be distributed is an \emph{a priori} assigned quantity acting as a global constraint for the problem) as well as a novel topology optimization formulation (where the amount of material to be distributed is minimized, hence with no pre imposed constraint for the problem). Both formulations are numerically solved by implementing a mixed finite element scheme, with the second approach avoiding the introduction of a global constraint, hence respecting the convenient local nature of the finite element discretization. Furthermore, within the proposed approach it is possible to obtain guidelines for settings proper values of phase-field-related simulation parameters and, thanks to the combined phase-field and Hu-Washizu rationale, a monolithic algorithm solution scheme can be easily adopted. An insightful and extensive numerical investigation results in a detailed convergence study and a discussion on the obtained final designs. The numerical results clearly highlight differences between the two formulations as well as advantages related to the monolithic solution strategy; numerical investigations address both two-dimensional and three-dimensional applications.


翻译:我们提出了一个将结构地形优化的分阶段功能与混合(三地)Hu-Washizu功能(三地)Hu-Washizu功能结合起来的可变性原则,然后直接包括在配制平衡、构成和兼容性方程式中。由此产生的混合性功能随后专门用于产生典型的地形优化配方(所要分发的材料数量是作为问题的全球限制因素的指定数量)以及新型的地形优化配方(所要分发的材料数量最小化,从而不给问题造成任何预先限制)。两种配方都通过实施混合的有限要素方案,通过采用第二种办法,避免引入全球制约,从而尊重有限要素离散的便利性,从数字上解决。此外,在拟议办法中,有可能获得关于分阶段模拟参数的适当价值的指导方针,由于分阶段和Hu-Washizu理论的综合原理,可以很容易地采用单一的算法解决办法。在一项详细的定量研究中得出深刻和广泛的数字调查结果,并就获得的最后设计展开讨论,从而避免引入一种全球制约,从而尊重有限要素离散性要素的本地性质。此外,在拟议的方法中,可以取得两种数字上的优势。

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