一種從拓撲優(yōu)化結果到拉壓桿模型的自動提取方法研究

喬文正 陳國榮

(1.呂梁學院建筑系 山西呂梁 033000；2.河海大學力學與材料學院 江蘇南京 211100)

1 研究背景

拉壓桿模型(strut-and-tie models，簡稱STM)是由類桁架模型發(fā)展而來。它的理論基礎可追溯到塑性理論中連續(xù)體介質的極限分析。STM將混凝土梁的力學行為簡化為一個理想化的鉸接桁架，提供了一個靜力允許的荷載傳遞路徑。眾所周知，拉壓桿模型特別適用于混凝土結構中D區(qū)域的設計。經(jīng)過眾多學者的努力，拉壓桿模型已經(jīng)成為一種既適用于B區(qū)域也適用于D區(qū)域的統(tǒng)一的混凝土結構設計方法[1]。此處B區(qū)域指構件中符合伯努力假定的區(qū)域，D區(qū)域指構件中截面應變呈現(xiàn)非線性變化的區(qū)域，通常是由幾何或靜力不連續(xù)引起的。作為一種混凝土結構的塑性設計方法，拉壓桿模型被越來越多人所接受并廣泛使用。

混凝土結構中單側牛腿就是一個典型的D區(qū)域。由于復雜的應力分布，傳統(tǒng)的彈性應力跡線法或荷載路徑法很難產生合適的拉壓桿模型。因此，拓撲優(yōu)化逐漸成為一種產生拉壓桿模型的可靠方法。拓撲優(yōu)化是在給定約束條件下，在給定的區(qū)域內對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學方法。隨著拓撲優(yōu)化技術的不斷發(fā)展，基于性能的漸近結構優(yōu)化方法(ESO)[2]、經(jīng)典的固體各向同性懲罰方法(SIMP)[3]和基于可移動變形組件(moving morphable components，簡稱MMC)拓撲優(yōu)化方法[4]先后被用來產生拉壓桿模型。

拓撲優(yōu)化在拉壓桿模型中的進一步應用，首先要解決如何合理地描述拓撲優(yōu)化結果，即實現(xiàn)拓撲優(yōu)化結果和拉壓桿模型的有效銜接。B樣條是貝塞爾曲線的一種一般化，是CAD系統(tǒng)常用的幾何表示方法，可以用來給一般的幾何體精確地建模?；诖?，文獻[5]采用B樣條把拓撲優(yōu)化結果描述成一個參數(shù)化的幾何形狀；文獻[6]在拓撲優(yōu)化的基礎上再進行一次形狀優(yōu)化來自動獲得對拓撲優(yōu)化結果的圖像描述；文獻[7]提出了一個產生拓撲優(yōu)化結果骨架的自動化方法；文獻[8]采用一種提取方法將拓撲優(yōu)化結果描述為類桁架結構，并通過3個性能指標來評估拓撲優(yōu)化結果的優(yōu)劣。文獻[9]將基于優(yōu)化的STM的生成分為拓撲優(yōu)化、拓撲提取和形狀優(yōu)化3個階段。

受文獻[8]的啟發(fā)，以基于MMC的拓撲優(yōu)化[10]為基礎，將一種自動提取的方法應用于混凝土單側牛腿算例。通過算例，闡述了該方法的思路和過程，并證實了其正確性和有效性。

2 自動提取方法

2.1 概述

從拓撲優(yōu)化結果到拉壓桿模型的提取過程，最重要的是保留它們之間的拓撲一致性。采用一種自動的提取過程，實現(xiàn)從拓撲優(yōu)化結果到拉壓桿模型的自然過渡。該方法的本質是一種基于像素的圖像處理技術，該過程主要分細化和提取兩個階段。拉壓桿模型的自動提取方法的流程如圖1所示。該方法的數(shù)值實現(xiàn)是在MATLAB中進行。

圖1 自動提取方法流程

2.2 細化階段

細化階段又細分為圖像二值化和圖像骨架化兩個步驟。

2.2.1圖像二值化

傳統(tǒng)隱式的SIMP和ESO方法產生的優(yōu)化結果是基于有限單元的材料0-1分布，雖然采用懲罰的技術，但仍然存在過渡的單元，導致存在鋸齒的邊界和灰度單元。在進行圖像骨架化之前，需要通過設定合理的闕值將優(yōu)化結果黑白二值化，即用1和0分別表示材料的實體和孔洞。

對于基于MMC的拓撲優(yōu)化，由于顯式的特性，優(yōu)化結果是純黑白的，即非黑即白。因此，理論上黑白二值圖像和優(yōu)化結果在本質上是一樣的。

2.2.2圖像骨架化

運用圖像處理的細化算法[11]，可以從黑白二值圖像中生成具有單像素寬度的骨架曲線。該細化算法的基本思想即迭代地刪除位于邊緣的像素，直到在不改變拓撲的前提下沒有多余的像素可以被刪除，從而生成具有單像素寬度的骨架曲線。

2.3 提取階段

提取階段可細分為形成候選結點圖、最終結點圖和拉壓桿模型3個步驟。

2.3.1形成候選結點圖

在單像素寬度的骨架線中，通過自身和周圍的8個相鄰像素的取值來確定這個像素點是否為候選節(jié)點。大體來說，從某一像素出發(fā)，至少要形成3條不同的線路情況，該像素點被確定為候選結點，所有的候選結點形成候選結點圖。

2.3.2形成最終結點圖

由于形成的候選結點可能在局部相距較近，所以，應該采用適當?shù)囊?guī)則對其進行簡化。一般來說，如果某兩個結點相互距離小于一個容許值(取構件較大邊長的5%)，這兩個結點則簡化為一個結點，即它們的中點所在的結點，如此重復進行，直到所有的點之間的距離大于這個容許值，并根據(jù)簡化后的結點形成最終結點圖。

2.3.3形成拉壓桿模型

要形成最終的STM，需要確定這些結點的連接關系。首先，通過骨架線來識別不同的洞口，具體的識別過程(詳見文獻[6])。然后，將洞口和結點信息結合起來，以洞口中心點為中心，按順時針方向將與該洞口有關的結點依次連接，使其在添加荷載和支座結點后形成最終的拉壓桿模型。

3 單側牛腿算例

由于篇幅所限，本文直接采用文獻[4]中的單側牛腿算例，并在此基礎上采用自動提取方法形成合適的STM。混凝土單側牛腿的幾何尺寸和荷載信息如圖2所示。

圖2 混凝土單側牛腿

在拓撲優(yōu)化過程，采用48個可移動變形組件，通過求解體積約束下最小柔度目標的優(yōu)化問題，得到單側牛腿的最優(yōu)拓撲。最優(yōu)化求解器采用著名的移動漸近線方法，通過197次迭代，得到最終的拓撲優(yōu)化結果。該結果的圖像像素為333×825，拓撲優(yōu)化結果和黑白二值圖如圖3所示。

圖3 拓撲優(yōu)化結果和黑白二值圖

由于采用基于MMC的拓撲優(yōu)化方法，優(yōu)化結果具有清晰的邊界，而且相比于SIMP和ESO方法，優(yōu)化求解效率較高。

形成的骨架圖和候選結點圖如圖4所示。通過算法自動得到11個候選結點(用藍色方形點表示)。此處結點簡化容許值為135 mm，意味著紅色圓圈內相互靠近的結點需要進行簡化。將11個候選結點簡化為8個結點，并添加荷載和支座結點后形成最終結點。最后，利用洞口和洞口周邊結點信息，按逆時針方向依次連接各洞口周邊結點。最終結點圖和拉壓桿模型見圖5。經(jīng)過簡化后的最終結點用圓點表示，方形框內的結點為荷載和支座結點。各最終結點平面坐標見表1。

表1 最終結點的平面坐標

圖4 骨架圖和候選結點圖

圖5 最終結點圖和拉壓桿模型

需要指出的是，通過自動提取方法產生的拉壓桿模型往往并不能直接使用，需要進行人為的變動。其因在于這些模型并不滿足靜力平衡條件，有時甚至是幾何可變體系，需要添加必要的桿件來形成幾何不變體系。這種變動可能因人而異，此處并沒有給出經(jīng)過人為修改的拉壓桿模型圖。

4 結語

基于圖像處理技術，提出了一種由細化和提取兩個階段構成的自動提取方法，實現(xiàn)了拓撲優(yōu)化結果與拉壓桿模型有效銜接，并且能夠最大限度地減少人為干預。在基于可移動變形組件的拓撲優(yōu)化結果的基礎上，通過單側牛腿算例闡述了該方法的思路和過程，并證實了其正確性和有效性。