[發明專利]一種主動控制結構動剛度的記憶合金驅動件優化布局方法

有效

• 申請號: 201610049017.5
• 申請日: 2016-01-25
• 公開（公告）號: CN105718684B
• 公開（公告）日: 2018-08-07
• 發明（設計）人: 李寶童;洪軍;蔣翔俊;劉宏磊;楊梓輝
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種主動控制結構動剛度的記憶合金驅動件優化布局方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)、確定目標函數及設計變量：

設定優化目標函數為

其中C為設計變量，它是由所有記憶合金絲端點坐標構成的向量；為第b次迭代后待優化結構的a階模態固有頻率，為記憶合金絲初始布局時的待優化結構a階模態固有頻率；

2)、建立模型：

在有限元軟件中使用shell63單元建立不包含記憶合金絲的待優化結構的有限元模型，該模型稱為基結構模型；導出基結構模型的整體剛度矩陣KKG與整體質量矩陣M，假設整個基結構有n個節點，那么矩陣KKG和M為6*n階矩陣；

3)、布置記憶合金絲的初始位置：

在基結構模型中均勻地布置等長的記憶合金絲，以此作為初始的記憶合金絲布局；初始布局達到均勻稀疏的涵蓋整個基結構表面；將記憶合金絲的端點坐標記錄到向量C中，并在下面的迭代優化中不斷更新向量C；

4)、對記憶合金絲進行設置：

設定每根記憶合金絲只對基結構提供恒定的拉力，且拉力相同，同時不依靠記憶合金絲自身的剛度為基結構模型提供加強作用，其實現方式為：將記憶合金絲通過螺栓連接在基結構模型表面；

5)、求解各個記憶合金絲的應力剛化剛度矩陣并將其組裝：

編輯程序得出所有記憶合金絲在基結構模型坐標系下的應力剛化剛度矩陣，這里得到用變量C表示出的單元應力剛化剛度矩陣KK；假定總共有m根記憶合金絲，定義每一根記憶合金絲都是一個獨立單元，每個單元有2個節點12個自由度，那么能夠得到m個單元應力剛化剛度矩陣KK_t，其中t＝1、2…...、m，每個矩陣均為12階方陣；將各個記憶合金絲的單元應力剛化剛度矩陣KK_t依次沿對角線拼接在一起，形成一個12*m階的總應力剛化剛度矩陣K，其中沒有被定義到的元素均置為零；

6)、使用剛度等效法將總應力剛化剛度矩陣K與基結構模型整體剛度矩陣KKG進行融合，從而得到整個結構的總剛度矩陣KBB，其具體方法為：

6.1)求解轉換矩陣T：

轉換矩陣T由兩個矩陣點乘得到，分別記為矩陣H和矩陣H₀，即

求解H：

其中：

其中i＝1、2、......、n；j＝1、2、......、2×m；

上式取基結構n個節點中的一個節點i，定義該點坐標為x_i、y_i、z_i；取m個記憶合金絲上所有2*m個端點中的一個節點j，定義該點坐標為x_j、y_j、z_j；dsp值為基結構模型兩個相鄰節點間距離的2-10倍；

求解H₀：

其中：

其中p＝1、2、......、n；q＝1、2、......、n；

上式取基結構模型n個節點中的兩個節點p和q，定義這兩點坐標分別為x_p、y_p、z_p和x_q、y_q、z_q；

求解轉換矩陣T：

6.2)、求出總剛度矩陣KBB：KBB＝T^T×K×T+KKG；

7)、計算待優化結構的模態特性：

利用(KBB-ω²M){φ}＝0計算出第b次迭代后的a階模態的固有頻率以及初始記憶合金絲布局時的a階模態的固有頻率

8)、求解目標函數對設計變量C中每一個變量的偏導數；

9)、更新設計變量C：

將目標函數f(C)及其對各個變量的偏導數導入MMA算法，MMA算法將設計變量C更新一次；

10)、迭代更新設計變量C

重復進行步驟5)-步驟9)，每次迭代都將所有設計變量更新一次，這組新的設計變量將被用于下一輪迭代之中；最終當目標函數低于初始值且收斂時，停止迭代，此時便得到了記憶合金絲的初步優化布局；

11)后處理：參照初步優化布局進行圓整處理，再根據加工工藝要求以及制造裝配要求進一步修改布局，得到最終設計。