[發明專利]一種基于網格參數化的結構多學科設計優化方法

在審

• 申請號: 201611022773.5
• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN106777482A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 李磊;楊帆;仝福娟;張猛創;唐仲豪;岳珠峰
• 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: 劉新瓊

技術領域

本發明涉及一種基于網格參數化的結構多學科設計優化方法，屬于結構設計領域。

背景技術

多學科設計優化是近幾十年來發展起來用于解決多個學科耦合問題的優化設計方法。與傳統單學科串行設計方法相比，考慮了學科間的耦合設計，更加貼切問題的實質，具有較高的設計精度；采用多目標機制平衡學科間的相互影響，可以獲取整體最佳設計，避免了反復設計所導致的人力、物力、財力的浪費；引入了協同/并行的設計思想，有效地提高了設計效率。由于多學科設計優化所展現出的優勢，已經被廣泛應用于飛行器、發動機、汽車等產品的設計中，目前也已成為復雜系統設計一項必不可少的手段。

在以往的多學科設計優化中，遵循著更新幾何模型—>重新劃分網格—>數值分析的優化循環過程，即在每個尋優迭代中需要重新生成幾何模型和進行劃分網格。這種優化循環存在著如下的缺陷：1)對幾何模型的參數化設計要求較高；并且鑒于目前幾何模型的生成方式，不能保證可以生成合理的幾何模型，嚴重時甚至導致模型更新失敗。2)難以保證重新劃分后的網格質量，引起了優化過程中數值分析的漂移，嚴重影響了高度敏感于網格質量的流體、接觸等問題優化結果的可信度；存在網格劃分失敗的風險，特別是針對飛行器、航空發動機、車船系統的整機設計，大量零部件的網格劃分需要消耗巨大的時間成本。因此需要進一步發展多學科設計優化方法避免上述問題的發生。

發明內容

要解決的技術問題

本發明將發展一種基于網格參數化的結構多學科設計優化方法，利用網格變形技術將各學科分析網格進行參數化處理，并保證耦合界面處各學科網格變化的一致性，在網格參數化基礎上實現結構的多學科設計優化，有效避免傳統優化設計方法中每次優化迭代需要重新生成幾何模型和劃分網格所產生的問題。

技術方案

一種基于網格參數化的結構多學科設計優化方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：根據結構設計的要求，確定結構多學科設計優化中設計變量、約束和目標，確定所涉及學科的分析方法；

步驟2：建立結構設計所涉及多個學科的分析網格，施加對應的物理模型、邊界條件和分析控制參數，并確定耦合界面；

步驟3：根據結構形狀、尺寸特征以及學科分析網格的特點，針對結構優化設計變量，利用自由網格變形技術建立學科分析網格的參數化模型：

步驟31：根據結構形狀和尺寸特征，結合結構優化設計變量，利用自由網格變形方法建立各學科分析網格的控制體，并獲取控制體節點坐標；耦合界面處各學科分析網格控制體保持一致；

步驟32：建立控制體節點坐標與各學科分析網格節點坐標間映射關系，通過控制體節點坐標的變化來控制學科分析網格變形，更新網格節點坐標獲得新的學科分析網格；

步驟33：對變形后的學科分析網格進行光順處理，以提高分析網格的質量；

步驟34：建立控制體節點坐標變化與結構優化設計變量間的定量關系，通過更改設計變量實現對控制體節點坐標和學科分析網格的變化，實現學科分析網格的參數化；

步驟4：搭建結構多學科設計優化系統，根據學科間耦合關系和耦合變量，利用多學科可行方法或協同優化設計方法建立結構多學科設計優化系統；

步驟5：開展多學科優化設計，首先進行設計變量的主次因素分析，選取對目標、約束影響較大的變量作為設計變量；在此基礎上開展DOE設計，建立初始代理模型；利用組合優化算法進行結構多學科設計優化。

有益效果

傳統結構多學科設計優化中是基于幾何參數化進行的，在每次優化迭代中根據設計變量進行幾何模型的更改，但是在更改幾何模型時容易導致模型更新失敗，特別是幾何模型更新后往往進行自動網格劃分，自動劃分的網格由于不能保證網格質量從而影響優化效率和精度。本發明針對結構多學科設計優化，發展一種基于網格參數化的結構多學科設計優化方法。該方法利用網格變形技術將結構所涉及學科的分析網格進行參數化處理，在優化過程中直接更改學科分析網格進行優化設計，避免了重新生成幾何模型和自動劃分網格所導致的幾何模型生成失敗、網格精度低的問題，有效地保證了優化過程中的網格質量，可以進一步提高結構多學科設計優化的效率和精度。

附圖說明

圖1為基于網格參數化的結構多學科可行優化流程圖；

圖2為涉及氣動、傳熱、結構、強度等學科的渦輪冷卻葉片模型；

圖3為網格模型的控制體；

圖4為渦輪葉片流場分析網格參數化模型；

圖5為流場分析網格變化前后對比圖；