[發明專利]基于KS函數的多組件結構系統布局優化設計方法

無效

• 申請號: 201310322782.6
• 申請日: 2013-07-29
• 公開（公告）號: CN103412987A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 張衛紅;周瑩;谷小軍;張亞輝;侯杰;朱繼宏
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明涉及一種多組件結構系統布局優化設計方法，特別是涉及一種基于KS函數的多組件結構系統布局優化設計方法。

背景技術

參照圖1。多組件結構系統這一設計模式涵蓋了多數工業產品，如航空航天飛行器、船舶、汽車和機械等。由于其復雜的服役狀況和苛刻的性能要求，多組件結構系統的力學性能設計問題在航空航天飛行器結構設計領域尤為突出。由于組件和結構都具有其自身的質量和剛度，因此組件的擺放和結構的構型這兩方面布局因素從根本上決定了結構系統的綜合力學特性。為了保證飛行器的平衡與穩定性并避免設備或結構的損壞，需要對這兩種布局問題進行合理的優化設計，本工作將多組件結構系統的協同布局設計稱為整體式結構系統設計。

參照圖2-3。文獻“Zhu?J.H.,Beckers?P.Zhang?W.H.,On?the?multi-component?layout?design?with?inertial?force.Journal?of?Computational?and?Applied?Mathematics.2010,234(7):2222-2230”公開了一種多組件結構系統布局優化設計方法，這種方法結合了結構拓撲優化技術和裝填布局優化技術，實現了一定裝填區域內組件的位置布局和支撐連接結構形式同時設計。文獻公開了使用有限包絡圓法來解決組件干涉問題。對于任意外形輪廓的組件采用有限個包絡圓（三維組件為包絡球）近似描述該組件的外形，若兩個組件之間的任意兩個包絡圓都不干涉，則這兩個組件不干涉。即若有n個組件，第i個組件(i＝1,2,.n..用N_i個包絡圓近似，則約束這n個組件不發生干涉需要有個約束方程。

除了組件和組件之間的干涉約束之外，裝填布局優化還需要保證組件完全包容在設計區域內部，文獻采用半徑較大的包絡圓對設計區域的多邊形邊界進行分段近似，此時包容約束同樣可以近似采用圓心距離函數來描述。即若有n個組件，第i個組件(i＝1,2,...,n)用N_i個包絡圓近似，設計域由M個包絡圓近似，則約束這n個組件不發生干涉并包容在設計域內需要有個約束方程。

文獻公開的方法雖然能夠解決約束組件之間、組件與設計域邊界的干涉問題，但是引入了大量約束方程。例如若判斷有4個組件、每個組件用4個包絡圓近似，設計域用4個包絡圓近似的干涉問題，共需要判斷160次兩個圓的圓心距離與半徑和的相對大小（160個約束方程）。如此多的約束方程個數導致拓撲優化問題難以進行或者難以收斂。

發明內容

為了克服現有多組件結構系統布局優化設計方法引入約束方程數量多的不足，本發明提供一種基于KS函數的多組件結構系統布局優化設計方法。該方法將所有組件干涉約束方程整合為一個或者多個約束方程，同時又能保證被整合的約束方程都能滿足約束。可以極大的減少多組件結構系統布局優化設計中幾何約束即組件干涉約束方程的個數。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于KS函數的多組件結構系統布局優化設計方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、通過結構的CAD模型建立有限元模型，將多組件結構有限元模型劃分為結構網格、背景網格和組件網格三部分，定義載荷和邊界條件。

步驟二、將組件和設計域邊界劃分包絡圓，建立約束方程：