[發明專利]考慮非設計域的三維連續體結構動靜力學性能拓撲優化設計方法

有效

• 申請號: 201910292323.5
• 申請日: 2019-04-12
• 公開（公告）號: CN110569519B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發明（設計）人: 葉紅玲;王偉偉;蘇鵬飛;戴宗杰;隋允康
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/20;G06F119/14
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種考慮非設計域的三維連續體結構拓撲優化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，根據三維連續體結構設計域和非設計域的幾何尺寸及工況，建立相應的有限元模型，設定邊界條件，材料屬性；

第二步，輸入結構動靜力學性能優化參數，并定義非設計域，形成考慮非設計域的三維連續體結構拓撲優化列式；

第三步，提取非設計域單元號，并采用非設計域標識數組和設計域標識數組分別對非設計單元和設計單元進行標識；

第四步，對結構進行靜力及模態分析，并提取單元、相關節點及結構分析結果，為建立顯式優化方程提供結構的力學性能參數；

第五步，形成以位移及頻率為約束，結構質量最小為目標的近似連續數學優化列式；

第六步，基于給定的非設計域標識數組及單元力學性能參數，計算非設計單元對結構性能的貢獻系數之和，并對結構總性能約束值進行折減，忽略優化目標中的常系數，更新近似連續數學優化模型列式；

第七步，采用數學規劃算法，對優化模型進行求解；

第八步，對拓撲變量進行反演，獲得最優拓撲構型。

2.根據權利要求1所述的考慮非設計域的三維連續體結構拓撲優化設計方法，其特征在于，第一步具體為：

首先，給定三維連續體結構的最大設計邊界，即基結構，并確定非設計域及設計域；其次，基于MSC.Patran軟件平臺，建立基結構幾何模型，并進行網格劃分；然后，定義材料，賦予單元屬性，施加邊界條件；最后，設定靜力及模態分析輸出選項。

3.根據權利要求1所述的考慮非設計域的三維連續體結構拓撲優化設計方法，其特征在于，第二步具體為：

在MSC.Patran軟件平臺的Topology Optimization的Performances Optimization界面內，輸入結構位移及固有頻率性能約束參數，包括定義位移約束的節點號，位移約束值，頻率約束階數及頻率約束值；在Non-design domain界面內，定義非設計域名稱，并框選非設計域單元，確定非設計的單元號，實現非設計域的定義；至此，建立了以位移和頻率為約束，結構質量最小為優化目標，考慮非設計域的拓撲優化模型：

式中：t＝(t₁,...,t_i,...,t_N)^T表示拓撲變量向量，t_i表示單元i的拓撲變量，表征單元的有無，E^d和Eⁿ分別為設計域單元號數組和非設計域單元號數組，上標d表征設計域designdomain，上標n表征非設計域non-design domain；i∈E^d表明單元i為設計單元，i∈Eⁿ表明單元i為非設計單元，W(t)為結構總質量，w(t_i)為單元i的質量，u_j(t)結構第j個關鍵節點位移，表示結構第j個關鍵節點位移約束的上限，J為位移約束總數，ω_l(t)為結構第l階固有頻率，ω_l為結構第l階固有頻率約束下限，L為頻率約束總數，t_min為拓撲變量下限，取值為0.01，N為單元總數。

4.根據權利要求1所述的考慮非設計域的三維連續體結構拓撲優化設計方法，其特征在于，第三步具體為：

定義兩個只有0或1的一維數組R^d和Rⁿ，對設計域單元和非設計單元進行標識，其中，數組中基于設計域單元號數組E^d和非設計單元號數組Eⁿ，通過FOR循環的方式確定設計域與非設計域標識數組R^d和Rⁿ；采用表征設計域拓撲變量向量，表征非設計域拓撲變量向量，其中有為第i個設計域拓撲變量，為第i個非設計域拓撲變量；至此，拓撲優化模型改寫為：