[發明專利]一種實現多樣性設計的結構拓撲優化方法

有效

• 申請號: 201610178734.8
• 申請日: 2016-03-28
• 公開（公告）號: CN105760631B
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發明（設計）人: 王博;黃誠;周演;周昳鳴;程耿東;郝鵬
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

本發明涉及工程結構優化設計領域，提供一種實現多樣性設計的結構拓撲優化方法。所述方法包括：利用結構拓撲優化實現結構概念設計；提出多樣性設計求解方法獲得若干多樣性滿足初始設計要求的概念設計構型，包括：引入加權目標函數和提出多樣性約束，其中多樣性約束能夠描述拓撲構型之間的差異并驅動優化獲得多個多樣性構型；評價各個概念構型的在詳細設計要求下的性能表現，篩選滿足設計需求的概念設計構型，通過形狀優化和參數優化對概念設計構型進行詳細的設計。本發明能夠獲得若干具有多樣性的初始設計，減少初始設計方案由于無法滿足后續設計要求而被迫放棄的風險，大大減少設計迭代次數和設計時間。

技術領域

本發明涉及工程結構優化設計領域，尤其涉及一種實現多樣性設計的結構拓撲優化方法。

背景技術

結構優化設計的目的在于為工程師提供高效、可靠、系統的最優結構優化設計策略，改變傳統的產品設計流程,尋求既安全又經濟的結構形式。優化驅動的產品設計過程給予產品設計工程師最有效的設計幫助，大大節省時間和費用，提高產品性能。結構優化設計已經被汽車、船舶、航空航天、機械制造等領域廣泛接納并采用。

結構優化設計一般分為三個層次：尺寸優化、形狀優化、拓撲優化。尺寸優化、形狀優化對應結構的詳細設計階段。相對于尺寸優化和形狀優化，拓撲優化具有更多的設計自由度，更大的設計空間，更好的優化效果。連續體拓撲優化的理論方法在工程設計中逐漸成為初始概念設計的重要工具。在這其中使用最為廣泛的拓撲優化方法是以SolidIsotropic Material with Penalization(SIMP)方法為代表的變密度方法。

拓撲優化問題通常是非凸問題，存在許多局部最優解，尋找拓撲優化的最優解一直是學術界所關心的問題。然而在實際工程問題中，耗費大量資源求解單一“最優解”未必是拓撲優化設計的主要目的。由于拓撲優化往往作為概念性階段的設計工具，為后續的形狀和尺寸優化提供可試探的初始設計構型，所以，在實際設計中迫切的需要能基于拓撲優化給出若干個滿足要求的初始設計構型的方法。因為不同的初始設計會更加豐富設計人員對產品設計的認識，引導設計人員獲得不同的精細設計方案。

更重要的是，在設計初期階段，設計人員無法全面的認知整個產品設計需求，往往采用較為簡單的結構模型和簡化過的數學模型：最小化柔順性做為優化目標，結構體積作為約束條件；最小化結構重量作為優化目標，單元應力作為約束條件；最大結構自振頻率作為優化目標。而在后續精細設計階段，隨著分析模型的逐步細化、設計需求逐步明確，往往會增加一些其他的設計目標和約束。當進入后續精細設計階段時，我們前期耗費大量資源基于拓撲優化方法所獲得的單一“最優解”可能無法被采用。因此，我們希望能在初始設計階段得到多個不同的優化設計來減小上述風險。

發明內容

本發明主要針對正向工程設計中概念設計階段，提出一種實現多樣性設計的結構拓撲優化方法，從而獲得若干具有多樣性的初始設計，減少初始設計方案由于無法滿足后續設計要求而被迫放棄的風險，大大減少設計迭代次數和設計時間。

本發明提供了一種實現多樣性設計的結構拓撲優化方法，所述方法包括以下幾個步驟：

步驟100：建立n維設計變量的單一構型的連續體結構拓撲優化模型，目標和約束需根據設計初期的設計要求施加。

步驟200：利用本專利方法對結構進行拓撲優化，得到若干多樣性的概念設計構型，包括以下子步驟：

步驟201：將m個待求單一構型拓撲優化問題合并為m×n設計變量的m構型拓撲優化問題，合并后優化問題的目標函數通過對單一構型拓撲優化問題的目標函數加權求和的方法獲得，合并后優化問題繼承并保留單一構型拓撲優化問題的約束函數。

步驟202：對合并后的優化問題額外施加m(m-1)/2個多樣性約束，多樣性約束函數是關于任意兩構型設計變量的函數，用以描述兩構型間的差異。步驟203：采用數學規劃方法，對合并后的優化問題進行求解，獲得m個多樣性拓撲構型。