[發(fā)明專(zhuān)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(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011303748.0
• 申請(qǐng)日: 2020-11-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112395705A
• 公開(kāi)（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(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 蘇州科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/17
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/17;G06F30/27;G06N3/00
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開(kāi)了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。將子結(jié)構(gòu)技術(shù)與結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)相結(jié)合，提取表征生物高效承載性能的空間拓?fù)錁?gòu)型子結(jié)構(gòu)即生物胞元，基于子結(jié)構(gòu)方法以生物胞元進(jìn)行機(jī)械承載件中筋、肋、框等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)，借助生物高效承載拓?fù)錁?gòu)型實(shí)現(xiàn)機(jī)械承載件高比剛度結(jié)構(gòu)仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)。并且，該方法針對(duì)不同生物的高效承載優(yōu)勢(shì)性能的集成問(wèn)題，提出了基于TRIZ創(chuàng)新原理的生物混合胞元建模，實(shí)現(xiàn)了面向不同生物高效承載空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集成的結(jié)構(gòu)仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及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。

背景技術(shù)

在機(jī)械承載件結(jié)構(gòu)中，加強(qiáng)筋、加強(qiáng)肋、加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)是其重要的組成部分。通過(guò)對(duì)加強(qiáng)筋/肋/板的拓?fù)湫问脚c空間拓?fù)洳季衷O(shè)計(jì)，來(lái)確定機(jī)械承載件結(jié)構(gòu)，是機(jī)械承載件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的方法。這些加強(qiáng)筋/肋/板不僅具有較低的結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)能有效改善機(jī)械承載件結(jié)構(gòu)的承載、振動(dòng)等性能。

機(jī)械承載件尤其是大型承載件中，這些加強(qiáng)板、筋、框、肋等結(jié)構(gòu)多以重復(fù)的子結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)，與承載件非主要承力結(jié)構(gòu)(如外框架等)一起構(gòu)成承載件整體結(jié)構(gòu)。子結(jié)構(gòu)技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的研究可以大致包括：基于子結(jié)構(gòu)技術(shù)的整體性能快速計(jì)算與預(yù)測(cè)；基于子結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)整體快速優(yōu)化；基于子結(jié)構(gòu)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

目前相關(guān)子結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究中，基于子結(jié)構(gòu)方法的大型復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的高效高精度性能預(yù)測(cè)、計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等研究更多的被關(guān)注，而基于子結(jié)構(gòu)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究則關(guān)注較少，且現(xiàn)有的基于子結(jié)構(gòu)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用傳統(tǒng)的子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，即子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多依賴(lài)于設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并非最優(yōu)等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供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，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械承載件高比剛度結(jié)構(gòu)仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)，且實(shí)現(xiàn)了面向不同生物高效承載空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集成的結(jié)構(gòu)仿生拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

技術(shù)方案：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(duì)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(guò)仿生學(xué)原理，基于結(jié)構(gòu)相似性、功能相似性、邊界(受載和約束)相似性，初步選擇生物胞元；

(2)從相似目標(biāo)層，相似要素層，相似特征層，對(duì)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(píng)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，即當(dāng)相似度計(jì)算值大于70％的時(shí)候認(rèn)為兩者相似度較高。

(4)根據(jù)仿生學(xué)原理，對(duì)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(duì)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(duì)生物胞元的特征簡(jiǎn)化；所述預(yù)設(shè)權(quán)重影響閾值不高于0.1，即當(dāng)基本組成特征的權(quán)重影響低于10％的時(shí)候，則可將該基本組成特征去除；

(6)通過(guò)映射建模，構(gòu)建基于簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(mǎn)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(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)性能要求時(shí)，進(jìn)行步驟(10)；