[發明專利]一種用于榫卯連接結構設計的歸選式拓撲優化方法

有效

• 申請號: 201911069845.5
• 申請日: 2019-11-05
• 公開（公告）號: CN110837709B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 宋凱;程浦;周曉斌
• 申請（專利權）人: 廣西艾盛創制科技有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 北京律譜知識產權代理有限公司 11457
• 代理人: 孫紅穎

1.一種用于榫卯連接結構設計的歸選式拓撲優化方法，其具體包括以下步驟：

步驟1、建立待優化結構的有限元模型，模型包含：榫槽(1)、榫頭(2)、左側承載結構(3)、右側承載結構(4)、支座(5)、下壓力載荷(6)及對支座的約束(7)，其中榫槽(1)和榫頭(2)的單元為優化問題的設計域；

步驟2、選取榫槽(1)、榫頭(2)所在區域作為設計域，并將設計域內單元的歸屬狀態作為設計變量，即對于每個單元，存在兩種歸屬狀態：屬于榫槽(1)，或是屬于榫頭(2)；

步驟3、選定基礎單元，確定榫頭(2)和榫槽(1)的基本結構形式；所述基礎單元是指在優化迭代過程中不允許發生移動的單元，即：基礎單元的歸屬狀態不允許發生變化；

步驟4、運行一次有限元分析，獲得單元應變能ξ_i，并計算結構總應變能E，榫槽(1)的總應變能E₁及平均應變能e₁，榫頭(2)的總應變能E₂及平均應變能e₂；

步驟5，對步驟4計算得到的單元應變能進行過濾平均，即：采用中心單元鄰域內歸屬狀態與中心單元相同的所有單元的應變能平均值或加權平均值代替原應變能數值，仍記為ξ_i；其中，鄰域是指中心單元周圍一定距離R以內的所有單元的集合，記為Ω_i；

步驟6、在步驟5得到的過濾平均后的單元應變能的基礎上，設定增幅系數scale，并對基礎單元和增幅單元進行增幅；

步驟7、根據步驟6得到的增幅后的單元應變能，計算設計域內每個單元的鄰域狀態；

步驟8、設定局部控制參數，構造局部控制規則，進行單元歸屬狀態的更新，即：進行設計變量更新；

步驟9，以榫槽(1)和榫頭(2)的總應變能E為目標函數進行收斂判斷，設定收斂容差ε；收斂準則的定義為：連續2次迭代中總應變能E的平均值變化量小于或等于ε時收斂；若在當前迭代步下目標函數未收斂，則轉至步驟4，開始下一次迭代進程；若當前迭代步下目標函數收斂，則退出優化進程，保存當前網格模型，作為優化后的結果；

步驟10，優化結果分析和評價，考核榫槽(1)和榫頭(2)的最大應力值、最大應變值和總應變能數值、結構關鍵點位移。

2.根據權利要求1所述的用于榫卯連接結構設計的歸選式拓撲優化方法，其特征在于：在步驟1中，建立的有限元模型保證榫頭(2)和榫槽(1)在接觸面處完全貼合，且榫頭(2)和榫槽(1)在接觸面處的網格節點相互重合。

3.根據權利要求1所述的用于榫卯連接結構設計的歸選式拓撲優化方法，其特征在于：步驟4中，通過以下公式進行計算：

e₁＝E₁/N₁ N₁為榫槽1的單元數；

e₂＝E₂/N₂ N₂為榫頭2的單元數；

E＝E₁+E₂。

4.根據權利要求1所述的用于榫卯連接結構設計的歸選式拓撲優化方法，其特征在于：步驟7中，對于單元i，鄰域狀態包含的信息有：[N_i1，N_i2，n_i1，n_i2]，其中，N_i1為單元i鄰域內歸屬狀態為1的單元，即屬于榫槽(1)的單元的應變能之和；N_i2為單元i鄰域內歸屬狀態為2的單元，即屬于榫頭(2)的單元的應變能之和；n_i1為單元i鄰域內歸屬狀態為1的單元，即屬于榫槽(1)的單元的應變能平均值；n_i2為單元i鄰域內歸屬狀態為2的單元，即屬于榫頭(2)的單元的應變能平均值；其中：

n_i1＝N_i1/n₁ n₁為單元i鄰域內屬于榫槽1的單元數；

n_i2＝N_i2/n₂ n₂為單元i鄰域內屬于榫頭2的單元數。