[發(fā)明專利]一種三維實體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810276651.1
• 申請日: 2018-03-30
• 公開（公告）號: CN108491654B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 佟德輝;袁志玲;李云強;胡琦山
• 申請（專利權(quán)）人: 濰柴動力股份有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/00
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 王寶筠

本發(fā)明公開了一種三維實體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法及系統(tǒng)，通過采用三維CAD軟件建立三維實體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型，將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，建立有限元模型并確定優(yōu)化區(qū)域，將優(yōu)化區(qū)域存儲在優(yōu)化區(qū)域單元；利用功能截面分解法對三維實體結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化降維，得到若干組二維功能截面；對若干組二維功能截面進行拓撲優(yōu)化，得到各功能截面的優(yōu)化結(jié)果；通過分組匹配確定各截面的優(yōu)化結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系，采用三維CAD軟件中的掃掠法進行曲面重構(gòu)，得到三維重構(gòu)模型；根據(jù)工藝約束條件對三維重構(gòu)模型進行尺寸優(yōu)化，得到優(yōu)化后的三維模型。本發(fā)明能夠提高大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化效率，且能夠增強拓撲優(yōu)化結(jié)果的可讀性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及實體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種三維實體結(jié)構(gòu)拓撲方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在航天航空、汽車、船舶等領(lǐng)域，對裝備的輕量化與高承載性等性能要求越來越顯著，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計成為國內(nèi)外各行業(yè)的研究熱點。拓撲優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)拓撲關(guān)系未知的情況下對材料進行空間的重新分配，由于優(yōu)化過程中結(jié)構(gòu)的邊界形狀會發(fā)生改變、設(shè)計變量難以定量描述、設(shè)計區(qū)域預(yù)先未知等因素導(dǎo)致拓撲優(yōu)化的求解難度大大增加，因此，拓撲優(yōu)化理論發(fā)展比較緩慢。

目前針對復(fù)雜工況下的三維實體結(jié)構(gòu)，普遍采用的是已在仿真優(yōu)化軟件中集成的變密度拓撲優(yōu)化法，然而由于結(jié)構(gòu)、工況的復(fù)雜性，優(yōu)化過程常常出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定導(dǎo)致耗時較長及拓撲優(yōu)化結(jié)果難以精確辨識導(dǎo)致難以對結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出有效指導(dǎo)等問題，因此，需要探索更加有效的思路來解決這些問題。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述問題，提出了本發(fā)明以便克服上述問題的一種三維實體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法及系統(tǒng)，以提高三維實體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化效率并增強拓撲優(yōu)化結(jié)果可讀性。

為達到上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

一種三維實體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法，包括：

采用三維CAD軟件建立三維實體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型，將所述結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，建立有限元模型并確定優(yōu)化區(qū)域，將所述優(yōu)化區(qū)域存儲在優(yōu)化區(qū)域單元；

利用功能截面分解法對所述三維實體結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化降維，得到若干組二維功能截面；

對所述若干組二維功能截面進行拓撲優(yōu)化，得到各功能截面的優(yōu)化結(jié)果；

通過分組匹配確定所述各截面的優(yōu)化結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系，采用所述三維CAD軟件中的掃掠法進行曲面重構(gòu)，得到三維重構(gòu)模型；

根據(jù)工藝約束條件對所述三維重構(gòu)模型進行尺寸優(yōu)化，得到優(yōu)化后的三維模型。

進一步的，所述利用功能截面分解法對所述三維實體結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化降維，得到若干組二維功能截面，包括：

選取所述三維實體結(jié)構(gòu)上的一點作為原點構(gòu)建三維直角坐標(biāo)系；

根據(jù)理論力學(xué)相關(guān)原理，將所述三維實體結(jié)構(gòu)的受力情況簡化到選取的點上；

將主失和主矩分解到所述三維直角坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸上，以構(gòu)成的三個平面作為功能截面組基面，通過等效負載得到各基面對應(yīng)的力和力矩；

將各基面對應(yīng)的力和力矩按照預(yù)設(shè)公式進行歸一化，得到各基面對應(yīng)的承載力，根據(jù)所述各基面對應(yīng)的承載力，確定主要功能截面組基面、次要功能截面組基面和輔助功能截面組基面。

進一步的，所述預(yù)設(shè)公式為其中，G_i表示基面歸一化后對應(yīng)的承載力，F(xiàn)_i、M_i分別為主矢和主矩，F(xiàn)_max、M_max分別為主矢和主矩中的最大值。

進一步的，所述對所述若干組二維功能截面進行拓撲優(yōu)化，得到各功能截面的優(yōu)化結(jié)果，包括：