[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

技術領域

本發明涉及工程結構優化設計領域，尤其涉及多物理場耦合工況條件下結構的多目標拓撲優化設計方法。

背景技術

結構優化設計的目的是為設計人員提供高效、可靠、系統的最優結構優化設計策略，尋求既安全可靠又經濟適用的結構形式。結構優化設計大大節省產品設計的時間和費用，提高產品性能。結構優化設計已經被廣泛應用于汽車、船舶、航空航天、機械制造等領域。

與尺寸優化和形狀優化相比，拓撲優化具有的設計自由度更多，設計空間更大，優化效果更好。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Solid Isotropic Material with Penalization(SIMP)方法為代表的變密度方法。

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和產品的實際工況條件，往往采用較為簡單的結構模型和簡化過的數學模型，如最小化柔度作為優化目標，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。以上皆為單一目標結構優化設計，不能夠完整反映整個產品設計需求及其實際工況條件，因此我們希望能建立多目標結構優化目標函數，其中包含能夠完整體現產品實際工況條件的每一個單一目標。同時，多數產品的設計需求來源于其在不同物理場條件下的性能，或產品在使用工作過程中涉及多物理場耦合作用，如大兆瓦風電制動器制動過程中，制動閘片與制動盤接觸時，制動閘片需要滿足靜力學、熱力學、動力學等性能的要求。因此，在對產品結構進行優化設計時，需要建立多物理場工況下多目標結構優化目標函數。

文獻1“范文杰，范子杰，蘇瑞意.汽車車架結構多目標拓撲優化方法研究.中國機械工程.2008,19(12)：1505-1508”公開了一種以靜態多工況下剛度和動態振動頻率為目標函數的車架結構，提出了一種結構的多目標拓撲優化研究方法。其基于實體各向同性材料懲罰函數的拓撲優化方法，采用這種規劃法定義多目標拓撲優化和多剛度拓撲優化的目標函數，而振動固有頻率拓撲優化的目標函數則采用平均頻率法定義，通過優化得到了同時滿足靜態剛度和振動低階頻率要求的汽車車架結構拓撲。

文獻1公開的方法雖然針對車架結構進行了考慮剛度和振動頻率的優化，但其優化依然為2D平面結構，難以提高方法在實際工程問題中的應用適應度。同時，多目標優化過程僅僅考慮了汽車車架結構的振動低階頻率，并沒有針對實際工況條件得到適宜的頻率優化范圍。

文獻2“胡三寶.多學科拓撲優化方法研究.華中科技大學.2011”公開了一種躲屋里耦合拓撲優化問題的統一建模和求解方法，研究了連續體結構拓撲優化中常見工程約束的實現問題，建立了統一的含有多個目標函數和約束函數的多物理場拓撲優化問題和數學模型，推導了基于有限元方法的統一的PDE求解方法，目標及約束函數的優化模型的求解方法。將多物理耦合場拓撲優化問題推廣到一般格式，并將該方法成功運用于2D/3D耦合場問題的拓撲優化工程實例當中。

文獻2所公開的方法雖然適用于多物理場拓撲優化問題，但其優化目標僅僅局限于結構的剛度，并未實現所優化工程結構動態振動頻率的優化，其多目標優化函數中沒有考慮每一個單一目標的權重值。同時，優化過程中，沒有兼顧所優化工程結構的加工工藝性。

文獻3“劉遠東，莫軍，尹益輝，徐兵.考慮熱振特性的連續體結構拓撲優化.振動與沖擊.2016,35(17)：113-116”公開了一種為實現傳熱和振動條件下，連續體結構的拓撲優化設計，以結構散熱弱度最小化和動態特征值最大化加權函數為目標，建立了傳熱和振動條件下連續體結構的多目標拓撲優化模型，實現了相應的算法和算例。其利用Rational Approximation of Material Properties(RAMP)方法對密度進行懲罰，通過歸一化目標函數有效避免了不同性質目標函數的量級差異，通過算例獲得了熱-振權重系數對結構拓撲構型和目標函數的影響規律。

文獻3所公開的方法雖然考慮了熱-振權重系數對結構拓撲優化的影響，探索了相關參數對其優化目標函數的影響規律。但并沒有解決實際工程問題中相似工況條件下的連續體3D結構問題。

發明內容