[發(fā)明專利]基于生物胞元的機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011303748.0
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號(hào): CN112395705A
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊勇;姜學(xué)濤;朱其新;蔣全勝;曹自洋;盧金斌;彭璇
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/27;G06N3/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種基于生物胞元的機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)針對待設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、功能、受載、約束特點(diǎn)，通過仿生學(xué)原理，基于結(jié)構(gòu)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(biāo)層，相似要素層，相似特征層，對初步選擇的生物胞元和機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相似度量化評定；

(3)如果所述相似度低于預(yù)設(shè)相似度閾值，則重復(fù)步驟(1)和(2)，直到選擇的生物胞元與機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之間的相似度高于預(yù)設(shè)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(yù)設(shè)相似度閾值不低于0.7；

(4)根據(jù)仿生學(xué)原理，對生物胞元的組成結(jié)構(gòu)及特征進(jìn)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(jìn)行權(quán)重影響性分析，去除其中權(quán)重影響低于預(yù)設(shè)權(quán)重影響閾值的基本組成特征，實(shí)現(xiàn)對生物胞元的特征簡化；所述預(yù)設(shè)權(quán)重影響閾值不高于0.1；

(6)通過映射建模，構(gòu)建基于簡化后胞元物元矩陣的胞元結(jié)構(gòu)模型，且基于胞元物元矩陣確定胞元結(jié)構(gòu)模型的確定性結(jié)構(gòu)模型及其待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量；

(7)根據(jù)步驟(6)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，對所述胞元結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化；

(8)基于子結(jié)構(gòu)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以胞元結(jié)構(gòu)模型為機(jī)械子結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對待設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)；

(9)此時(shí)，若基于單個(gè)胞元的仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)性能滿足要求，則結(jié)束；反之，若基于單個(gè)胞元的仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)無法滿足設(shè)計(jì)性能要求時(shí)，進(jìn)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(fù)步驟(7)和步驟(8)，實(shí)現(xiàn)基于混合胞元的機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)；重復(fù)步驟(9)，若混合胞元的仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)性能滿足要求，則結(jié)束；否則，重復(fù)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(fù)步驟(7)和步驟(8)，實(shí)現(xiàn)基于新的混合胞元的機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)，直到仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)的性能滿足要求。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生物胞元的機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(2)具體包括如下內(nèi)容：

(2.1)將初步選擇的生物胞元和機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之間的相似度評定自頂向下分為三層：相似目標(biāo)層，相似要素層，相似特征層；

(2.2)構(gòu)建相似目標(biāo)層和相似元素層的關(guān)系：

相似目標(biāo)層為生物胞元與待設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相似度S的最終評價(jià)，其與相似元素層各元素o之間存在加權(quán)和的關(guān)系，即：

式中，s_i(o_i)為生物胞元與機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之間的第i個(gè)相似要素o_i的相似度；ω_si為第i個(gè)相似要素o_i的權(quán)重系數(shù)，0≤ω_si≤1且I是生物胞元與機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之間的所有的相似要素o_i的總個(gè)數(shù)；

(2.3)構(gòu)建相似元素層和相似特征層的關(guān)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(quán)和的關(guān)系，即：

式中，ω_pij為第i個(gè)相似要素o_i內(nèi)所含的第j個(gè)相似特征p_ij的權(quán)重系數(shù)，0≤ω_pij≤1且s_pij(p_ij)為第i個(gè)相似要素o_i內(nèi)所含的第j個(gè)相似特征p_ij的相似度；J是生物胞元與機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之間的第i個(gè)相似要素o_i內(nèi)所有的相似特征p_ij的總個(gè)數(shù)；

(2.4)采用數(shù)值對相似特征p_ij的相似度s_pij(p_ij)量化：

按照相似強(qiáng)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(yīng)的量化數(shù)值u表征相似強(qiáng)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(jì)算生物胞元與機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(biāo)層內(nèi)生物胞元和機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的整體相似度為s_pj(p_ij)＝0.9，0.7，0.5，0.3或0.1。