开放式结构拓扑优化软件设计与研发

This project plans to develop an open style software system for structural topology optimization by the employment of modern design methods and techniques for software engineering(for example object-oriented, plug-in technique, script language, UML), based on the software platform of computational mechanics- SiPESC. Main tasks are software design framework of optimization algorithms, software design framework of sensitivity analysis and filtering algorithms, open style software architecture, and high performance computational functions for large scale structural topology design problems. This project's characteristics are open style system and integration capabilities for numerical algorithms and computational modules. The project's aims are to propose general purposes software interfaces and management mechanism for dynamical extension, to implement and integrate typical numerical algorithms for structural topology optimization, and to realize high performance computation for large scale problem.

本项目计划基于已研发的新一代自主计算力学软件平台SiPESC，采用软件工程的现代设计方法和技术(如面向对象、插件技术、脚本语言、UML等)，研发开放性的结构拓扑优化软件系统。具体工作包括：研发面向通用目标的优化算法软件设计框架、面向结构拓扑优化的灵敏度分析与过滤算法软件设计框架、具有开放性的结构拓扑优化软件系统、以及面向大规模问题和多学科的结构拓扑优化计算功能。本工作特色是系统开放性和功能集成性。本项目的目标是构建开放式的结构拓扑优化计算系统，建立软件系统的动态开放接口和管理机制，集成并研发典型的拓扑优化计算功能和优化求解算法，实现大规模结构拓扑优化(百万自由度有限元模型、数十万拓扑设计变量优化模型以上规模)问题的计算。

结构拓扑优化是实现结构创新设计、结构轻量化的关键技术，其研究与应用依赖计算软件。本项目计划基于已研发的新一代自主计算力学软件平台SiPESC，采用软件工程的现代设计方法和技术，研发开放性的结构拓扑优化软件系统。具体工作包括：研发面向通用目标的优化算法软件设计框架、面向结构拓扑优化的灵敏度分析与过滤算法软件设计框架、具有开放性的结构拓扑优化软件系统、以及面向大规模问题和多学科的结构拓扑优化计算功能。本项目的目标是构建开放式的结构拓扑优化计算系统，建立软件系统的动态开放接口和管理机制，集成并研发典型的拓扑优化计算功能和优化求解算法，实现大规模结构拓扑优化计算。. 项目研发了结构拓扑优化软件SiPESC.TOPO，提出了结构拓扑优化软件SiPESC.TOPO设计方案、算法设计模式，构建了开放式的结构拓扑优化计算环境，集成了结构拓扑变量插值算法、灵敏度分析分析算法、拓扑过滤算法等，实现了复杂结构拓扑优化计算，初步形成了工程应用能力。基于“平台+插件”的设计思想，提出了优化算法库设计的面向对象设计方案与软件设计模式，实现了优化算法便捷集成机制；开发了试验设计与近似模型软件工具库，为复杂/多学科优化提供了基础；基于脚本语言环境，实现了多软件集成能力，形成了集成优化软件系统SiPESC.OPT，完成了多项工程优化的应用。. 项目研发工作发表论文9篇，获批软件著作权和专利各1项，培养博士生3人，硕士生7人。结构拓扑优化软件SiPESC.TOPO与SiPESC.OPT已完成逾20万行代码，构建了开放性和可拓展性的软件系统，总体功能与国外同类主流软件相当，特色算法实现超越。本项目开发的软件已在航天器、运载火箭等领域获得型号应用，并已开发了工程定制化/专业软件。