拓扑优化在自主软件SABRE架构下的设计与实现

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32423

中国飞机强度研究所建所 60 周年专刊

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拓扑优化在自主软件SABRE架构下的设计与实现

麻耀辉¹(), 郭文杰¹, 高彤², 王立凯¹, 常亮¹

^1.中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710065
^2.西北工业大学机电学院，西安 710072

收稿日期:2024-06-19 修回日期:2024-07-01 接受日期:2024-07-21 出版日期:2025-07-28 发布日期:2025-07-25
通讯作者: 麻耀辉 E-mail:mayaohui_623@163.com
基金资助:
陕西重点研发计划项目(2024GX-ZDCYL-05-05)

Design and implementation of topology optimization based on autonomous software SABRE architecture

Yaohui MA¹(), Wenjie GUO¹, Tong GAO², Likai WANG¹, Liang CHANG¹

^1.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China
^2.School of Mechanical Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2024-06-19 Revised:2024-07-01 Accepted:2024-07-21 Online:2025-07-28 Published:2025-07-25
Contact: Yaohui MA E-mail:mayaohui_623@163.com
Supported by:
Shaanxi Key Research and Development Program Project(2024GX-ZDCYL-05-05)

摘要/Abstract

摘要：

以研发具备高度开放性和灵活性的自主结构拓扑优化软件为目标，基于航空结构分析软件SABRE系统基础平台，系统阐述了SABRE系统分层与插件融合的软件架构设计方法。从开发人员和用户角度出发，给出了软件功能模块和求解流程的实现方法。基于经典的变密度法拓扑优化理论，详细论述了拓扑优化功能在SABRE系统上的设计与实现过程。通过典型数值算例，验证了开发软件的功能有效性和工程适用性，并进一步印证了SABRE系统架构的开放性和求解流程组织的灵活性。本研究为结构分析和优化领域的新算法、新模块在自主软件平台上的高效集成提供了有益借鉴。

关键词: 分层与插件, 组件化设计, 变密度法, 拓扑优化, 结构设计, SABRE系统

Abstract:

This paper aims to develop an autonomous structural topology optimization software with high openness and flexibility. Based on the foundational platform of the aerospace structural analysis software SABRE system， it systematically elaborates the layered and plugin-integrated architectural design methodology. From the perspectives of both developers and users， this paper presents the implementation methods for software functional modules and solution processes. Building upon the classic variable-density topology optimization theory， it outlines the design and implementation process of topology optimization functionality within the SABRE system. Numerical examples are employed to verify the software’s functional validity and engineering applicability， further demonstrating the openness of SABRE’s architecture and the flexibility of its solution process organization. This work provides valuable reference for efficiently integrating new algorithms and modules in structural analysis and optimization into autonomous software platforms.

Key words: layered and plug-in, component design, variable-density method, topology optimization, structural design, SABRE system

中图分类号:

麻耀辉, 郭文杰, 高彤, 王立凯, 常亮. 拓扑优化在自主软件SABRE架构下的设计与实现[J]. 航空学报, 2025, 46(21): 532423.

Yaohui MA, Wenjie GUO, Tong GAO, Likai WANG, Liang CHANG. Design and implementation of topology optimization based on autonomous software SABRE architecture[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(21): 532423.

图/表 29

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表 1

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参考文献 35

[1]	朱继宏，张亦飞，张亚辉，等. 空天结构保形设计：从几何特征到能量疏导［J］. 航空学报， 2025， 46（6）： 531833.
	ZHU J H， ZHANG Y F， ZHANG Y H， et al. Shape preserving design of aerospace structure： From geometric feature to energy channeling［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2025， 46（6）： 531833 （in Chinese）.
[2]	TRÄFF E A， SIGMUND O， AAGE N. Topology optimization of ultra high resolution shell structures［J］. Thin-Walled Structures， 2021， 160： 107349.
[3]	ZHU J H， ZHANG W H， XIA L. Topology optimization in aircraft and aerospace structures design［J］. Archives of Computational Methods in Engineering， 2016， 23（4）： 595-622.
[4]	SHAKUR E， SHAKED A， AMIR O. Topology and shape optimization of 3D prestressed concrete structures［J］. Engineering Structures， 2024， 321： 118936.
[5]	ICHIHARA N， UEDA M. 3D-printed high-toughness composite structures by anisotropic topology optimization［J］. Composites Part B： Engineering， 2023， 253： 110572.
[6]	CHI H， ZHANG Y Y， TANG T L E， et al. Universal machine learning for topology optimization［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2021， 375： 112739
[7]	SHIN S， SHIN D， KANG N. Topology optimization via machine learning and deep learning： A review［J］. Journal of Computational Design and Engineering， 2023， 10（4）： 1736-1766.
[8]	李宇峰，晏明生，安宁，等. 基于MSC.Nastran/HyperWorks的薄壁圆筒隔框结构拓扑优化设计［J］. 强度与环境， 2015， 42（4）： 35-39.
	LI Y F， YAN M S， AN N， et al. An integrated approach based on MSC. Nastran/HyperWorks for topology optimization of stiffened ribs of thin-walled cylinders［J］. Structure & Environment Engineering， 2015， 42（4）： 35-39 （in Chinese）.
[9]	ZHANG X Q， WANG J L， CHEN H， et al. Statics analysis and topology optimization of support base for airdrop based on ANSYS Workbench［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2021， 1798（1）： 012030.
[10]	KUMAR A， JEROME STANLEY M. Design， topology optimization and fabrication of a semi-trailing arm for an off-road vehicle using optistruct［M］∥Energy and Exergy for Sustainable and Clean Environment， Volume 1. Singapore： Springer Nature Singapore， 2022： 557-569.
[11]	梅帅，陈飙松，张盛，等. 开放式结构拓扑优化软件设计与研发［J］. 机械工程学报， 2015， 51（9）： 144-152.
	MEI S， CHEN B S， ZHANG S， et al. Design and development of open style software system for structural topology optimization［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2015， 51（9）： 144-152 （in Chinese）.
[12]	牛飞，梅帅，张盛，等. 基于SiPESC平台的拓扑优化模块开发及应用［J］. 大连理工大学学报， 2013， 53（2）： 162-168.
	NIU F， MEI S， ZHANG S， et al. Development and application of topology optimization module based on SiPESC［J］. Journal of Dalian University of Technology， 2013， 53（2）： 162-168 （in Chinese）.
[13]	王彬文，段世慧，聂小华，等. 航空结构分析CAE软件发展现状与未来挑战［J］. 航空学报， 2022， 43（6）： 527272.
	WANG B W， DUAN S H， NIE X H， et al. Development situation and future challenges of CAE software used in aeronautical structural analysis［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（6）： 527272 （in Chinese）.
[14]	高峰. 由发展时间轴看中国CAE软件短板［J］. 中国工业和信息化， 2020（3）： 36-43.
	GAO F. Looking at the shortcomings of CAE software in China from the development timeline［J］. China Industry & Information Technology， 2020（3）： 36-43 （in Chinese）.
[15]	WU J， SIGMUND O， GROEN J P. Topology optimization of multi-scale structures： A review［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2021， 63（3）： 1455-1480.
[16]	LEE E， MARTINS J R R A. Structural topology optimization with design-dependent pressure loads［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2012， 233-236： 40-48.
[17]	ESCHENAUER H A， OLHOFF N. Topology optimization of continuum structures： A review［J］. Applied Mechanics Reviews， 2001， 54（4）： 331-390.
[18]	LIU S T， LI Q H， HU J Y， et al. A survey of topology optimization methods considering manufacturable structural feature constraints for additive manufacturing structures［J］. Additive Manufacturing Frontiers， 2024， 3（2）： 200143.
[19]	陈文炯，刘书田，张永存. 基于拓扑优化的自发热体冷却用植入式导热路径设计方法［J］. 力学学报， 2016， 48（2）： 406-412.
	CHEN W J， LIU S T， ZHANG Y C. Optimization design of conductive pathways for cooling a heat generating body with high conductive inserts［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2016， 48（2）： 406-412 （in Chinese）.
[20]	BENDSØE M P， SIGMUND O. Material interpolation schemes in topology optimization［J］. Archive of Applied Mechanics， 1999， 69（9）： 635-654.
[21]	STOLPE M， SVANBERG K. An alternative interpolation scheme for minimum compliance topology optimization［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2001， 22（2）： 116-124.
[22]	张卫红，郭文杰，朱继宏. 部件级多组件结构系统的整体式拓扑布局优化［J］. 航空学报， 2015， 36（8）： 2662-2669.
	ZHANG W H， GUO W J， ZHU J H. Integrated layout and topology optimization design of multi-component systems with assembly units［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2015， 36（8）： 2662-2669 （in Chinese）.
[23]	BENDSØE M P， KIKUCHI N. Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 1988， 71（2）： 197-224.
[24]	SIGMUND O， MAUTE K. Topology optimization approaches［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2013， 48（6）： 1031-1055.
[25]	LAZAROV B S， SIGMUND O. Filters in topology optimization based on Helmholtz-type differential equations［J］. International Journal for Numerical Methods in Engineering， 2011， 86（6）： 765-781.
[26]	WANG F W， LAZAROV B S， SIGMUND O. On projection methods， convergence and robust formulations in topology optimization［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2011， 43（6）： 767-784.
[27]	SIGMUND O. A 99 line topology optimization code written in Matlab［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2001， 21（2）： 120-127.
[28]	FERRARI F， SIGMUND O. A new generation 99 line Matlab code for compliance topology optimization and its extension to 3D［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2020， 62（4）： 2211-2228.
[29]	BRUYNEEL M， DUYSINX P， FLEURY C. A family of MMA approximations for structural optimization［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2002， 24（4）： 263-276.
[30]	许向彦，王晓辉，王军，等. SABRE系统振动分析前后处理软件的设计与实现［J］. 航空计算技术， 2023， 53（1）： 67-71.
	XU X Y， WANG X H， WANG J， et al. Design and implementation of pre-processing and post-processing software for vibration analysis of SABRE system［J］. Aeronautical Computing Technique， 2023， 53（1）： 67-71 （in Chinese）.
[31]	王立凯，艾森，郭瑜超，等. 基于增量-迭代算法的SABRE系统非线性分析流程设计［J］. 航空计算技术， 2022， 52（5）： 9-13.
	WANG L K， AI S， GUO Y C， et al. Design of nonlinear analysis process for SABRE system based on incremental-iterative algorithm［J］. Aeronautical Computing Technique， 2022， 52（5）： 9-13 （in Chinese）.
[32]	常亮，段世慧，王立凯，等. 航空结构大规模并行分析与优化应用［J］. 计算机辅助工程， 2017， 26（3）： 45-50.
	CHANG L， DUAN S H， WANG L K， et al. Application of larger-scale parallel analysis and optimization in aero structure［J］. Computer Aided Engineering， 2017， 26（3）： 45-50 （in Chinese）.
[33]	孙侠生，段世慧，陈焕星. 坚持自主创新实现航空CAE软件的产业化发展［J］. 计算机辅助工程， 2010， 19（1）： 1-6.
	SUN X S， DUAN S H， CHEN H X. Keeping independent innovation， implementing industrialization development of aviation CAE software［J］. Computer Aided Engineering， 2010， 19（1）： 1-6 （in Chinese）.
[34]	罗利龙，常亮，王立凯. 基于MPI的大规模变量结构优化技术研究［J］. 航空计算技术， 2016， 46（3）： 75-78.
	LUO L L， CHANG L， WANG L K. Investigation of large-scale optimization technique based on parallel computing［J］. Aeronautical Computing Technique， 2016， 46（3）： 75-78 （in Chinese）.
[35]	SONG L L， ZHAO J， GAO T， et al. Length scale control in density-based multi-material topology optimization［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2022， 401： 115655.

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[1]	朱继宏, 张亦飞, 张亚辉, 侯杰, 张卫红. 空天结构保形设计：从几何特征到能量疏导[J]. 航空学报, 2025, 46(6): 531833-531833.
[2]	向锦武, 马凯, 阚梓, 李道春, 郑可欣, 陈汉轩. 氢能源无人机关键技术研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(5): 531603-531603.
[3]	王雁, 陈亮, 蔡永明, 罗利龙. 基于降维模型的翼身融合主承力结构优化方法[J]. 航空学报, 2025, 46(21): 532406-532406.
[4]	田大可, 张立永, 王永滨, 方纪收, 金路, 刘荣强. 六棱柱模块化可展开薄膜遮光罩设计与分析[J]. 航空学报, 2025, 46(18): 431749-431749.
[5]	时永鑫, 田阔, 王博. 基于双向密度函数的空天轴对称结构拓扑优化[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730585-730585.
[6]	王琪, 武龙, 刘振, 刘建霞, 夏凉. 热弹性多构型梯度点阵结构拓扑优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(23): 230367-230367.
[7]	王巍, 王浩, 周艾, 冯贺. 变弯度机翼外形与拓扑分步优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(18): 129990-129990.
[8]	张少平, 郭会明, 高彤, 张卫红. 基于先进激光加工技术的下一代航空发动机跨尺度整体式承力薄壁构件设计方法与应用[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 630037-630037.
[9]	李文韬, 何允钦, 李文博, 张艺仪, 梁国柱. 固体火箭发动机三维装药的逆向设计与形状优化[J]. 航空学报, 2024, 45(11): 529089-529089.
[10]	张卫红, 周涵, 李韶英, 朱继宏, 周璐. 航天高性能薄壁构件的材料-结构一体化设计综述[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 627428-627428.
[11]	冯蕴雯, 林心怡, 薛小锋, 杨祥, 刘佳奇. 高可靠单向爆破的民机防爆结构设计[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 228297-228297.
[12]	杨文国, 王睿, 尹永涛, 陈万华. 5.5 m×4 m航空声学风洞结构设计与研究[J]. 航空学报, 2023, 44(12): 127711-127711.
[13]	马祥涛, 王法垚, 朱英杰, 郝鹏, 王博, 刘观日. 面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 226430-226430.
[14]	梁宽, 付莉莉, 张晓鹏, 罗阳军. 基于材料场级数展开的结构动力学拓扑优化[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 226002-226002.
[15]	韩凯, 董日昌, 邵丰伟, 龚文斌, 常家超. 基于改进遗传算法的导航卫星星间链路网络动态拓扑优化技术[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 326095-326095.