[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

本發明公開一種考慮非設計域的三維連續體結構拓撲優化設計方法，包括以下步驟：(1)確定三維連續體基結構，并建立有限元模型；(2)定義非設計域單元，并輸入優化參數，形成優化模型；(3)引入識別數組對設計域及非設計域單元進行標識；(4)對結構進行靜力及模態分析，并提取單元、節點及結構分析結果；(5)建立拓撲優化模型的近似連續數學優化列式；(6)計算非設計域單元對結構性能的貢獻值，并對性能約束值及目標函數進行折減；(7)采用數學規劃算法，對優化模型進行求解；(8)對最優拓撲構型進行反演處理，獲得最優拓撲構型。本發明可以有效解決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問題，為復雜結構體系的優化設計提供一個參考。

技術領域

本發明屬于工程結構設計技術領域，尤其涉及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。

背景技術

結構拓撲優化設計可以在工程結構設計初始階段提供一個概念性設計，因其不依賴初始 構型及工程師經驗，便可獲得完全意想不到的創新構型，受到學者以及工程人員的廣泛關注。 拓撲優化設計方法，通過建立數學優化模型(目標函數、約束條件和設計變量)，根據優化理 論和方法求解優化模型，綜合多種設計因素確定結構材料的分布狀況，進而使復雜結構與零 部件的結構形式和參數更加合理。但結構拓撲優化設計，由于所要確定的參數多，數學模型 建立困難，數值計算量大，敏度分析計算復雜，是當前結構優化領域極具挑戰性的課題之一。

隨著航空航天等現代工業技術的發展，結構設計人員對結構拓撲優化設計方法提出了更 高的要求，希望結構拓撲優化設計能實現多構件，多工況結構體系的優化設計，并為結構局 部的詳細設計提供更多的參考。此外，實際工程中的復雜結構體系，通常由于美觀或特殊性 能的需求，其外觀或某些局部特征是確定的。考慮到這些確定的非設計區域對結構的整體性 能具有一定的貢獻，因此，對結構進行拓撲優化設計時，非常有必要考慮局部非設計域材料 對結構性能的影響。

目前，由于人們普遍認為結構拓撲優化設計的主要作用是為結構的初始概念設計提供一 個參考，因此，在對結構進行拓撲優化設計階段，很少考慮確定局部特征對結構力學性能的 影響，而是在設計后期，通過修改局部構型的方式來保證這些特殊需求。這種設計思路，沒 有充分發揮拓撲優化方法在輕量化設計方面的優越性。

本發明針對具有非設計域的三維連續體結構動靜力學性能拓撲優化設計的問題，提出了 考慮非設計域的三維連續體拓撲優化設計方法。這種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，結合結構靜力及模態有限元分析方法，計算非設計域單元對結構 力學性能的貢獻系數，并通過移項的方式對約束系數進行折減，進而考慮非設計域對結構動 靜力學性能的影響，不但能減少設計變量數目，還能充分挖掘設計域內材料的設計潛力。此 外，這種考慮非設計域的結構拓撲優化方法可為結構的細節設計提供更詳盡的指導，有助于 縮短結構設計周期，更大限度的實現復雜結構的減重優化設計，這對于推動航空航天等重要 領域的快速發展具有重要意義。

發明內容

本發明針對具有非設計域的三維連續體結構拓撲優化設計問題，采用非設計單元性能識 別向量對非設計域性能貢獻系數進行識別，并通過對顯式方程移項折減的方式消除非設計域 單元對優化目標及約束的影響。這種考慮非設計域的三維結構拓撲優化設計方法，最大限度 的調動了設計域單元的可設計性，充分體現了結構輕量化的設計理念，具有極強的實用性。 為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種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包括以下步驟：

第一步，建立考慮非設計域的三維連續體基結構有限元模型；

第二步，輸入結構動靜力學性能優化參數，并定義設計域及非設計域，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；