[發(fā)明專利]基于多弧段曲線的壓力載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)?形狀聯(lián)合優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310340431.8
• 申請(qǐng)日: 2013-08-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103425831A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 谷小軍;朱繼宏;張衛(wèi)紅;孟亮;周瑩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): 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)明涉及一種壓力載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)?形狀協(xié)同優(yōu)化方法。特別涉及一種基于多弧段曲線的壓力載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)?形狀聯(lián)合優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

參照?qǐng)D1、2。在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域，大量零部件如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤承力框架，壓力載荷下的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是一類典型的工程問(wèn)題，如承受氣動(dòng)壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤結(jié)構(gòu)件、承受內(nèi)壓的壓力容器、承受水壓的潛艇結(jié)構(gòu)、大壩以及承受風(fēng)載或雪載的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，由于壓力隨結(jié)構(gòu)加載面形狀的變化而變化，與一般拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題的不同點(diǎn)在于必須同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)加載面與結(jié)構(gòu)內(nèi)部拓?fù)錁?gòu)型。傳統(tǒng)形狀優(yōu)化以應(yīng)用CAD自由曲線描述結(jié)構(gòu)幾何輪廓為主，自由曲線加工成本高和加工效率低，制約了形狀優(yōu)化的應(yīng)用。

文獻(xiàn)1“張衛(wèi)紅，楊軍剛，朱繼宏，壓力載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)?形狀協(xié)同優(yōu)化，航空學(xué)報(bào)，2009”公開(kāi)了一種壓力載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)?形狀協(xié)同優(yōu)化方法。該方法采用CAD三次樣條或者B樣條插值描述壓力載荷關(guān)鍵邊界曲線段，同時(shí)時(shí)引入與拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量獨(dú)立的形狀設(shè)計(jì)變量來(lái)控制插值曲線，邊界參數(shù)化方程為：

式中：a_i為系數(shù)矢量，由插值點(diǎn)的位置決定；為基函數(shù)；N為插值點(diǎn)的個(gè)數(shù)；t為參數(shù)。

文獻(xiàn)2“朱繼宏，李軍碩等，現(xiàn)代形狀優(yōu)化技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，航空制造技術(shù)，2012（23/24）”公開(kāi)了一種多弧段曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了多弧段曲線形狀邊界的優(yōu)化。其思想主要包括3個(gè)階段：首先需要進(jìn)行常規(guī)的自由曲線形狀優(yōu)化初步設(shè)計(jì)；隨后用首尾相連并光滑過(guò)渡的圓弧形成圓弧樣條對(duì)初步設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行近似，以得到適合數(shù)控機(jī)床加工的多弧段曲線輪廓；最后對(duì)該多弧段曲線輪廓選擇合適的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行精細(xì)形狀優(yōu)化，以得到最終的應(yīng)力水平較好的形狀優(yōu)化輪廓曲線。

文獻(xiàn)1公開(kāi)的方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)壓力載荷下拓?fù)?形狀聯(lián)合優(yōu)化，但是由于其采用的方法使用三次樣條曲線進(jìn)行擬合結(jié)構(gòu)壓力邊界，加工成本高，加工效率低，所以不適合數(shù)控加工制造。文獻(xiàn)2公開(kāi)的方法由于使用圓弧曲線擬合結(jié)構(gòu)的邊界，適用于數(shù)控加工制造，但該方法只能進(jìn)行零件的形狀優(yōu)化，不能進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有壓力載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)?形狀協(xié)同優(yōu)化方法實(shí)用性差的不足，本發(fā)明提供一種基于多弧段曲線的壓力載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)?形狀聯(lián)合優(yōu)化方法。該方法采用NURBS樣條插值來(lái)描述壓力載荷作用邊界曲線段，NURBS曲線控制點(diǎn)為獨(dú)立于拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量的形狀設(shè)計(jì)變量；進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)?形狀聯(lián)合優(yōu)化；優(yōu)化后將需要數(shù)控加工制造的輪廓邊界用多弧段曲線代替，對(duì)多弧段曲線輪廓進(jìn)行精細(xì)形狀優(yōu)化。這種方法既能夠進(jìn)行壓力載荷工況下的拓?fù)?形狀聯(lián)合優(yōu)化，又能夠使得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)輪廓為多弧段輪廓，適用于數(shù)控加工制造工藝，實(shí)用性強(qiáng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種基于多弧段曲線的壓力載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)?形狀聯(lián)合優(yōu)化方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、建立有限元模型，對(duì)模型施加約束和邊界載荷。

步驟二、定義壓力載荷作用邊界的NURBS曲線的控制點(diǎn)，構(gòu)造NURBS曲線。二維NURBS曲線的具體構(gòu)造方法是：

B(ξ)=Σi=1mBi(ξ)Pi---(1)]]>

其中，P_i是第i個(gè)自由曲線的控制點(diǎn)，B_i(ξ)是以ξ為自然坐標(biāo)的插值函數(shù)，m是控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)，B(ξ)為二維自由曲線的參數(shù)化表示。

步驟三、定義拓?fù)?形狀聯(lián)合優(yōu)化模型：