[發(fā)明專利]一種應(yīng)力約束下多相材料柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710657559.5
• 申請(qǐng)日: 2017-08-03
• 公開（公告）號(hào): CN107491599B
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖蜜;褚晟;高亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 周磊;曹葆青

1.一種應(yīng)力約束下多相材料柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，用于優(yōu)化多相材料柔性機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，該優(yōu)化以應(yīng)力和體積分?jǐn)?shù)為約束，以輸出位移最小化和柔度最小化為目標(biāo)，其特征在于，具體優(yōu)化過程包括以下步驟：

(1)拓?fù)鋬?yōu)化初始化：給定柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)域、載荷、人工彈簧和邊界條件，設(shè)定權(quán)重因子、許用應(yīng)力、體積約束和初始結(jié)構(gòu)，并對(duì)優(yōu)化算法的參數(shù)進(jìn)行初始化；

(2)利用多相材料水平集拓?fù)涿枋瞿Ｐ兔枋鼋Y(jié)構(gòu)多相材料分布，利用剛度插值模型計(jì)算多相材料結(jié)構(gòu)的彈性剛度；

(3)在工況一下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，以獲得結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的輸出位移和應(yīng)力，工況一中，除邊界位移約束外，輸入剛度為k_in和輸出剛度為k_out的人工彈簧被分別添加在柔性機(jī)構(gòu)的輸入端口和輸出端口，力t_in被施加在輸入端口，以用于獲得期望的輸出端口處的輸出位移u_out，并且結(jié)構(gòu)應(yīng)力通過可分離應(yīng)力插值模型求得；

(4)在工況二下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，以獲得結(jié)構(gòu)柔度，工況二中，除邊界位移約束外，一個(gè)和工況一中輸出位移同方向的單元集中力f_out被施加在柔性機(jī)構(gòu)的輸出端口，輸入端口處的邊界則被緊固；

(5)獲得用于權(quán)衡結(jié)構(gòu)輸出位移和柔度重要性的權(quán)重因子添加項(xiàng)κ；

(6)對(duì)應(yīng)基于加權(quán)法和應(yīng)力懲罰的多相材料柔性機(jī)構(gòu)參數(shù)化水平集拓?fù)鋬?yōu)化模型，獲取其目標(biāo)函數(shù)及體積約束對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏度；

(7)基于獲得的靈敏度構(gòu)建優(yōu)化準(zhǔn)則，利用優(yōu)化準(zhǔn)則更新設(shè)計(jì)變量及水平集方程；

(8)判斷優(yōu)化算法終止條件是否滿足，若不滿足，轉(zhuǎn)至下一步驟，若滿足，結(jié)束優(yōu)化過程并輸出最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(9)判斷應(yīng)力懲罰因子調(diào)整條件是否滿足，若滿足應(yīng)力懲罰因子調(diào)整條件，轉(zhuǎn)至下一步驟，否則轉(zhuǎn)至步驟(2)；

(10)利用自適應(yīng)應(yīng)力懲罰因子調(diào)整策略調(diào)整應(yīng)力懲罰因子，并轉(zhuǎn)至步驟(2)。

2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力約束下多相材料柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于：多相材料水平集拓?fù)涿枋瞿Ｐ蜑椋?/p>

其中，ρ_i(Φ)是第i種材料的特征方程，ρ_i(Φ)＝1表示第i種材料存在，ρ_i(Φ)＝0表示第i種材料不存在，Φ是水平集方程，H_k＝H(Φ^k)，H(Φ^k)是基于第k個(gè)水平集方程的Heaviside函數(shù)，H_i+1＝H(Φⁱ⁺¹)，H(Φⁱ⁺¹)是基于第i+1個(gè)水平集方程的Heaviside函數(shù)，N是結(jié)構(gòu)中包含的材料個(gè)數(shù)并且也是水平集方程個(gè)數(shù)。

3.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力約束下多相材料柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于：剛度插值模型表示為：

其中，D(Φ)是結(jié)構(gòu)局部彈性剛度，D_i是第i種材料的彈性剛度，ρ_i(Φ)是第i種材料的特征方程，Φ是水平集方程，N是結(jié)構(gòu)中包含的材料個(gè)數(shù)并且也是水平集方程個(gè)數(shù)。

4.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力約束下多相材料柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于：可分離應(yīng)力插值模型表示為：

其中，為本構(gòu)矩陣，ε為應(yīng)變場(chǎng)，σ_i(e,Φ)為第e個(gè)單元中心處對(duì)應(yīng)第i種材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，ρ_i(Φ)是第i種材料的特征方程，Φ是水平集方程，i＝1,2,…N，N是結(jié)構(gòu)中包含的材料個(gè)數(shù)并且也是水平集方程個(gè)數(shù)。