[發明專利]基于生物胞元的機械結構仿生拓撲設計方法

在審

• 申請號: 202011303748.0
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112395705A
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發明（設計）人: 楊勇;姜學濤;朱其新;蔣全勝;曹自洋;盧金斌;彭璇
• 申請（專利權）人: 蘇州科技大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/27;G06N3/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種基于生物胞元的機械結構仿生拓撲設計方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)針對待設計的機械結構，根據機械結構的結構、功能、受載、約束特點，通過仿生學原理，基于結構相似性、功能相似性、邊界相似性，初步選擇生物胞元；所述邊界相似性包括受載相似性和約束相似性；

(2)從相似目標層，相似要素層，相似特征層，對初步選擇的生物胞元和機械設計結構進行相似度量化評定；

(3)如果所述相似度低于預設相似度閾值，則重復步驟(1)和(2)，直到選擇的生物胞元與機械設計結構之間的相似度高于預設相似度閾值，則所選擇的生物胞元為最終確定的合適的生物胞元；所述預設相似度閾值不低于0.7；

(4)根據仿生學原理，對生物胞元的組成結構及特征進行分析，并采用物元矩陣表征提取生物胞元；

(5)對生物胞元的基本組成特征進行權重影響性分析，去除其中權重影響低于預設權重影響閾值的基本組成特征，實現對生物胞元的特征簡化；所述預設權重影響閾值不高于0.1；

(6)通過映射建模，構建基于簡化后胞元物元矩陣的胞元結構模型，且基于胞元物元矩陣確定胞元結構模型的確定性結構模型及其待優化的結構設計變量；

(7)根據步驟(6)中的結構設計變量，基于結構優化方法，對所述胞元結構模型進行優化；

(8)基于子結構的整體機械結構設計方法，以胞元結構模型為機械子結構的拓撲結構，對待設計的機械結構進行仿生設計；

(9)此時，若基于單個胞元的仿生拓撲設計性能滿足要求，則結束；反之，若基于單個胞元的仿生拓撲設計無法滿足設計性能要求時，進行步驟(10)；

(10)引入新的胞元并且與原胞元雜交得到混合胞元；

重復步驟(7)和步驟(8)，實現基于混合胞元的機械結構仿生設計；重復步驟(9)，若混合胞元的仿生拓撲設計性能滿足要求，則結束；否則，重復步驟(10)，再次引入新的胞元與原混合胞元雜交得到新的混合胞元，并重復步驟(7)和步驟(8)，實現基于新的混合胞元的機械結構仿生設計，直到仿生拓撲設計的性能滿足要求。

2.根據權利要求1所述的基于生物胞元的機械結構仿生拓撲設計方法，其特征在于，步驟(2)具體包括如下內容：

(2.1)將初步選擇的生物胞元和機械設計結構之間的相似度評定自頂向下分為三層：相似目標層，相似要素層，相似特征層；

(2.2)構建相似目標層和相似元素層的關系：

相似目標層為生物胞元與待設計機械結構之間的相似度S的最終評價，其與相似元素層各元素o之間存在加權和的關系，即：

式中，s_i(o_i)為生物胞元與機械設計結構之間的第i個相似要素o_i的相似度；ω_si為第i個相似要素o_i的權重系數，0≤ω_si≤1且I是生物胞元與機械設計結構之間的所有的相似要素o_i的總個數；

(2.3)構建相似元素層和相似特征層的關系：

相似要素層的各要素o含有不同的相似特征p，各要素與其所含特征之間同樣存在著加權和的關系，即：

式中，ω_pij為第i個相似要素o_i內所含的第j個相似特征p_ij的權重系數，0≤ω_pij≤1且s_pij(p_ij)為第i個相似要素o_i內所含的第j個相似特征p_ij的相似度；J是生物胞元與機械設計結構之間的第i個相似要素o_i內所有的相似特征p_ij的總個數；

(2.4)采用數值對相似特征p_ij的相似度s_pij(p_ij)量化：

按照相似強烈程度從高到低，將相似特征p_ij的相似度s_pij(p_ij)依次劃分為極其相似、較相似、相似、略相似、不相似，并且以對應的量化數值u表征相似強烈度：

u＝{0.9，0.7，0.5，0.3，0.1}＝{極其相似，較相似，相似，略相似，不相似}；

(2.5)計算生物胞元與機械設計結構之間的整體相似度：

將(2.3)中的式代入(2.2)中的式并綜合(2.4)中的s_pij(p_ij)量化值，得到相似目標層內生物胞元和機械結構之間的整體相似度為s_pj(p_ij)＝0.9，0.7，0.5，0.3或0.1。