[發明專利]一種組件結構的拓撲優化方法及裝置

有效

• 申請號: 201910299280.3
• 申請日: 2019-04-15
• 公開（公告）號: CN110147571B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 舒毅瀟
• 申請（專利權）人: 浙江吉利控股集團有限公司;湖北吉利太力飛車有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;賈允

本發明涉及結構優化設計的領域，提出了一種組件結構的拓撲優化方法及裝置，所述方法將組件和設計域邊界劃分包絡圓，建立約束方程；解析求解應力剛化矩陣，得到應力剛化矩陣的靈敏度；解析分析結構的模態，計算結構的固有頻率靈敏度；通過優化靈敏度分析，求得目標函數和約束條件的靈敏度，采用梯度優化算法進行優化設計，得到優化結果。所述方法通過求解應力剛度矩陣的靈敏度和組件結構固有振動屬性的靈敏度，通過梯度優化算法，獲得應變能較小的組件結構，且有效提高了組件結構的一階固有頻率，使得組件結構的變形抵抗提高。

技術領域

本發明涉及結構優化設計的領域，尤其涉及一種組件結構的拓撲優化方法及裝置。

背景技術

在航空航天、汽車設計制造領域，往往需要嚴格限制其零部件或整體結構的振動方式和其固有頻率，以避免高速運動時與空氣或地面摩擦導致的飛行器或汽車內部劇烈振動帶來的消極影響甚至結構破壞。而在多工況，大負載的情況下，變化劇烈的負載帶來的預應力對結構固有頻率的影響已經不能忽略。所以帶預應力的頻率約束系統布局優化輕量化設計方法的推導和提出，有很強的現實意義。

應力鋼化是指構件在無應力狀態和有應力狀態下的剛度變化，在有應力狀態下，構件某方向的剛度顯著增大。由于現實需求，對于應力剛化的研究在各個方向都有展開，對應力剛化現象的分析計算技術都已經非常成熟，幾乎所有商用有限元軟件都可以對結構進行與應力剛化相關的分析。但在拓撲優化中考慮應力剛化的工作，目前依然較少。

目前的研究設計工作中，大多采用半解析法或差分法得到應力剛度矩陣的靈敏度，在多工況，大范圍變化負載的情況下，進行帶預應力的頻率約束的結構優化設計時，半解析法或差分法所得結果依然存在誤差，實用性較差。

發明內容

本發明要解決的技術問題是現有的應力剛化矩陣靈敏度的計算方法缺乏實用性且誤差較大的問題。為了解決上述問題，本發明提出了一種組件結構的拓撲優化方法及裝置。本發明具體是以如下技術方案實現的：

本發明的第一個方面提出了一種組件結構的拓撲優化方法，所述方法包括：

建立應力剛度矩陣；

求解所述應力剛度矩陣，計算第一靈敏度；

分析組件結構的固有振動屬性，計算第二靈敏度；

獲得結構約束條件和結構優化目標；

根據所述第一靈敏度、所述第二靈敏度、所述結構約束條件和所述結構優化目標，計算組件結構的優化結構。

進一步地，所述建立應力剛度矩陣之前還包括：

將組件結構劃分為多個節點；

對各個節點建立包絡圓約束方程。

進一步地，所述求解所述應力剛度矩陣，計算第一靈敏度包括：

根據各個節點應力變化的可檢測數據，計算第一分量；

根據應力剛度矩陣，計算伴隨向量；

根據所述伴隨向量，計算第二分量；

根據所述第一分量和所述第二分量，計算第一靈敏度。

進一步地，所述分析組件結構的固有振動屬性，計算第二靈敏度包括：

獲得各節點的振幅向量；

根據各節點的振幅向量和應力剛度矩陣，計算第二靈敏度。

進一步地，所述獲得結構約束條件和結構優化目標包括：

獲得組件結構的第一階振動頻率的最小值；

獲得材料體積分數的最大值；

計算組件結構的最小應變能。