[發(fā)明專利]基于附加單元的固體重量壓力載荷下的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310143554.2
• 申請日: 2013-04-24
• 公開（公告）號: CN103279591A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 谷小軍;朱繼宏;孟亮;張亞輝;舒毅瀟;張衛(wèi)紅
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種拓撲優(yōu)化設(shè)計方法，特別涉及一種基于附加單元的固體重量壓力載荷下的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)

參照圖1～2。在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域，固體重量壓力載荷下的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計是一類典型的工程問題，絕大多數(shù)拓撲優(yōu)化技術(shù)仍局限于求解固定載荷下具有確定邊界與設(shè)計域的設(shè)計問題，即在拓撲優(yōu)化迭代過程中，載荷不發(fā)生變化；載荷施加位置的材料邊界不發(fā)生變化；設(shè)計域不發(fā)生變化。不確定邊界的設(shè)計問題的難點在于：由于固體重物與支撐結(jié)構(gòu)的接觸面積2可能發(fā)生變化，從而導(dǎo)致固體重物壓力1施加到支撐結(jié)構(gòu)上的總力發(fā)生變化。固體重物與支撐結(jié)構(gòu)的接觸面積

參照圖3。文獻1“Tong?Gao?and?Wei-hong?Zhang，Topology?optimization?of?multiphase?material?structures?under?design?dependent?pressure?loads，International?Journal?for?Simulation?and?Multidisciplinary?Design?Optimization.3,297-306(2009)”公開了一種固定載荷重量壓力載荷下的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法。文獻引入壓力懲罰模型：

pi=ximsΣξ=1nsximsSξPsw]]>

其中，p_i為接觸面單元i上的壓力，n_s為接觸表面單元數(shù)目，S_ξ為單個單元壓力載荷作用面積，s為懲罰系數(shù)，P_sw為固體重量壓力載荷，x_im為單元i的偽密度。優(yōu)化過程中每次優(yōu)化迭代之后，作用于接觸表面單元上的壓力載荷應(yīng)當根據(jù)相應(yīng)單元拓撲設(shè)計變量和公式重新計算并更新有限元模型載荷。

文獻2“張衛(wèi)紅,楊軍剛,朱繼宏；壓力載荷下的結(jié)構(gòu)拓撲—形狀協(xié)同優(yōu)化；航空學(xué)報；2009年第12期”公開了一種固定載荷下的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法。文獻將與載荷接觸的邊界定義為非設(shè)計域，在拓撲優(yōu)化迭代過程中，由于與重量壓力載荷接觸的材料（非設(shè)計域）保持不變，所以壓力載荷也能保持不變。

文獻1公開的方法雖然可以實現(xiàn)固體重量壓力載荷下的拓撲優(yōu)化設(shè)計，但是其方法過于復(fù)雜，每次拓撲優(yōu)化迭代都要重新計算作用在接觸面上每個單元的壓力載荷數(shù)值，影響優(yōu)化迭代效率。文獻2公開的方法雖然能夠在拓撲優(yōu)化迭代過程中保持壓力載荷的大小和方向不變，但是由于把與壓力載荷接觸的材料定義為了非設(shè)計域，導(dǎo)致該拓撲優(yōu)化模型設(shè)計出的結(jié)構(gòu)與載荷接觸的材料不能去除，設(shè)計域減小，設(shè)計約束增加，優(yōu)化結(jié)果性能降低。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有拓撲優(yōu)化設(shè)計方法優(yōu)化結(jié)果性能低的不足，本發(fā)明提供一種基于附加單元的固體重量壓力載荷下的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法。該方法在固體重物與支撐結(jié)構(gòu)的接觸面上引入附加單元，附加單元的楊氏模量比結(jié)構(gòu)的楊氏模量大1-2個數(shù)量級，將與固體重物壓力載荷接觸的邊界上的單元與附加單元相連，固體重物壓力載荷不直接加載到材料邊界上，而是加載到附加單元上。這樣即使在拓撲優(yōu)化過程中邊界上的材料發(fā)生變化，但是由于接觸面所有節(jié)點不與壓力載荷直接相連，而是與附加單元相連，所以壓力載荷的大小和方向也能保持不變。這種方法可以實現(xiàn)固體重量壓力載荷下的拓撲優(yōu)化設(shè)計要求，保持壓力載荷的大小和方面不變，但是并沒有在每次迭代中更新載荷數(shù)值、影響迭代效率，也沒有引入非設(shè)計域、限制材料邊界不變，優(yōu)化結(jié)果性能高。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于附加單元的固體重量壓力載荷下的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法，其特點是包括以下步驟：