Non-parametric optimization for lightweight and high heat conductive structures under convection using metaheuristic structure binary-distribution method

可制造性设计 元启发式 数学优化 参数统计 计算机科学 热的 各向同性 材料科学 二进制数 算法 拓扑(电路) 机械工程 数学 工程类 热力学 算术 统计 量子力学 组合数学 物理
作者
Musaddiq Al Ali,Masatoshi SHIMODA,Brahim Benaissa,Masakazu Kobayashi
出处
期刊:Applied Thermal Engineering [Elsevier BV]
卷期号:233: 121124-121124 被引量:43
标识
DOI:10.1016/j.applthermaleng.2023.121124
摘要

In this paper, we propose a novel Metaheuristic Structure Binary-Distribution (MSB) method for attaining lightweight and high thermal conductive structure. MSB combines metaheuristic search with gradient descent optimization, offering a robust and efficient approach. The paper also introduces a connectivity filtering approach to enhance additive manufacturability and eliminate segregated materials in thermal structures, improving integrity and minimizing materials wastage. The performance of the MSB method is compared to other topology optimization methods, namely bi-directional evolutionary structural optimization (BESO), solid isotropic materials with penalization (SIMP), and the parametrized level set method (PLSM). Results consistently demonstrate the better performance of MSB in weight reduction and minimizing thermal compliance. Even at significant weight reductions (50%, 60%, and 70%), MSB outperforms other methods, achieving lower thermal compliance. Investigations on mesh impact and the effectiveness of MSB with suggested connectivity filtering show a successful reduction of islands to solid elements to 0%, improving additive manufacturability and decreasing thermal compliance. The feasibility and suitability of the optimized designs for additive manufacturing are validated through 3D printing, confirming the practicality of the MSB method.
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