[發明專利]采用等效靜態位移實現結構接觸力優化的方法

有效

• 申請號: 201811205841.0
• 申請日: 2018-10-17
• 公開（公告）號: CN109063401B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 陳雪乾;左文杰
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/15;G06F30/23;G06F111/06;G06F119/14;G06F111/04
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

本發明涉及一種采用等效靜態位移實現結構接觸力優化的方法，屬于工程結構優化設計領域。主要步驟如下：首先執行結構接觸非線性分析，得到接觸面上節點受到的接觸力；其次將接觸力作為靜態外載荷施加于原接觸面上的節點，計算其靜態位移；最后將此靜態位移作為強制位移約束施加于接觸面上的節點，對此線性靜態工況下的約束反力進行優化。若優化后的結構滿足接觸力約束要求，則停止優化，否則重復以上步驟。本發明可以理性地對涉及接觸力的結構進行優化，避免結構設計人員過分依賴感性的工程經驗。相對于傳統的代理模型法，本方法的優化精度更高，計算量更小，可以運用到復雜工程實際問題。

技術領域

本發明涉及工程結構優化設計領域，特別涉及一種接觸力優化方法，尤指一種采用等效靜態位移實現結構接觸力優化的方法。

背景技術

為了縮短設計周期與試驗成本，計算機輔助的有限元仿真與優化技術已廣泛應用于工程結構設計領域。然而由于接觸工況的高度非線性，接觸力對設計變量的靈敏度推導十分困難，目前尚無基于梯度的算法能求解接觸力優化問題。工程上處理此類問題大多采用代理模型法，如響應面法。但代理模型法計算精度低，并且對于多變量優化，其計算量很大，因此代理模型法難以處理復雜模型的優化設計。

發明內容

本發明的目的在于提供一種采用等效靜態位移實現結構接觸力優化的方法，解決了現有技術存在的上述問題。本發明提出了等效靜態位移法，可以求解結構接觸力優化問題。且與已有的方法相比，精度更高、計算量更小，因此可以應用于工程實際。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

采用等效靜態位移實現結構接觸力優化的方法，包括以下步驟：

(1)建立接觸工況的有限元模型，靜態或動態均可，執行接觸非線性有限元分析，求得接觸面上所有節點受到的接觸力；

(2)將步驟(1)所得接觸力，作為靜態外載荷施加到接觸面上的節點，求得載荷施加處節點的位移，此位移即等效靜態位移；

(3)將步驟(2)所得等效靜態位移，作為強制位移約束，施加到原接觸面上的節點；將強制位移產生的約束力作為目標函數或約束條件，執行線性靜態結構優化；

(4)將步驟(3)優化所得設計變量，代入步驟(1)中的接觸工況，驗證接觸力是否滿足約束要求；若滿足要求，則優化結束，否則，繼續執行步驟(2)至步驟(4)。

步驟(1)所述的接觸力的計算過程如下：

對于靜態接觸分析，求解以下方程：

K_N(b,Z)Z＝f (1)

其中，b為設計變量向量；Z為位移向量；K_N為結構剛度矩陣，與設計變量和位移向量的值相關，下標N表示結構具有非線性特性；f為外部載荷向量。

對于動態接觸分析，如碰撞分析，求解以下方程：

其中t為時間，M為質量矩陣；

通過求解上述方程，可得接觸面上節點所受接觸力，記為f_cont。

步驟(2)所述的等效靜態位移的計算過程如下：

將f_cont作為靜態外載荷，施加到接觸面上的節點，非接觸面節點不施加載荷，求解以下線性靜態有限元方程：

K_L(b)Z′＝f_cont (3)

其中，K_L為結構剛度矩陣，下標L表示結構只具有線性特性；Z′為所有節點的位移；b為設計變量向量；從Z′中提取接觸面上節點的位移，記為Z_ESD，即為等效靜態位移。