[發明專利]多物理場工況結構多目標拓撲優化設計方法

在審

• 申請號: 201710232429.7
• 申請日: 2017-04-11
• 公開（公告）號: CN106997415A
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 張生芳;尹劍;劉宇;沙智華;馬付建;宿崇;黃文麗
• 申請（專利權）人: 大連交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司21212
• 代理人: 閻昱辰,李洪福

1.一種多物理場條件下結構多目標拓撲優化設計方法，其特征在于包括如下步驟：

—根據優化目標物體的結構，建立該物體的三維模型，確定三維模型中非優化區域及優化區域；

—對所述的三維模型在多物理場耦合條件下進行有限元分析，得到等效應變；

—對所述的三維模型進行有限元模態分析，得到所述三維模型的前n階固有頻率，n為≥1的整數；

—根據需要優化物體的材料屬性設定所述三維模型的材料屬性，設定優化過程中的體積百分數，該百分數為優化區域優化后體積與優化前體積之比；

對三維模型施加邊界條件以及載荷，所述載荷中至少包括所述多物理場耦合分析得出的等效應變，該等效應變以強迫位移的形式逐一施加在所述的三維模型，強迫位移迫使需要優化物體的結構發生如同多物理場耦合分析結果中的形變；

—設置包含能夠代表各物理場結構特性的參數的權重ω_i；利用折衷規劃理論對所述的各優化目標函數進行合成，利用帶有設計變量x的X_H(x)與該參數的最小值的差與X_H(x)的變化范圍(X_Hmin-X_Hmax)的比值來消去量綱不同引起的問題；

—利用對各物理場參數的獨立優化目標函數進行平方的方法來消去理想參數增大或減小引起的不同；對所得到的無量綱數值進行累加并開方得到多目標優化的目標函數：

其中，H_H(x)為代表各物理場參數的獨立優化目標函數，i為參與優化物理場的個數，x為各個結構單元的相對密度，即設計變量，X_H(x)為優化后結構各單物理場參數的值，X_Hmin和X_Hmax分別為該參數的最小值與最大值。

2.根據權利要求1所述的多物理場工況結構多目標拓撲優化設計方法，其特征還在于：

多物理場條件下結構多目標拓撲優化問題的一般形式可表示為：

其中，x_j為設計變量，j＝1,2,…,N為單元數目，K為結構的廣義剛度矩陣，U為結構的廣義位移向量，F為結構所受的廣義外力向量，V為優化后結構的體積，V₀為優化前結構的體積，f為體積分數約束參數，fV₀即為優化后體積的上限值，x_min為設計變量的最小值。優化目標函數為權利要求1中所述的多目標優化目標函數。

3.根據權利要求1所述的多物理場條件下結構多目標拓撲優化設計方法，其特征還在于：所述的權值分配依據根據結構實際工況條件的需要分配，具體分配如下：

設需要優化物體的結構在各物理場中產生的等效應變最大值為ε_i，則其權重可表示為：

從而以各物理場對需要優化物體結構的等效應變的影響程度表示多目標優化目標函數的權重。