[發明專利]基于B樣條參數化的薄壁結構的加筋建模與優化方法

有效

• 申請號: 202011342095.7
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112464531B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 張衛紅;豐圣起;孟亮;徐釗;陳亮;酒麗朋
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 云燕春

本發明基于B樣條參數化的薄壁結構的加筋建模與優化方法，屬于薄壁結構的加筋優化技術領域；首先以殼單元模擬薄壁結構，在薄壁結構上定義一個實體單元模擬的以加筋的許可高度為最大高度H_max的設計域，在殼與實體連接部分用殼與實體耦合單元對薄壁結構加筋進行建模。然后構造參數域下的B樣條高度場，以控制點作為設計變量。針對三維曲面，利用參數映射方法，將參數域下的B樣條高度場映射到薄壁結構上，以此表征薄壁結構上的加筋。B樣條參數化方法可以自帶過濾效果，且以控制點為設計變量可以實現設計變量與網格的獨立，大大減少設計變量，提高計算效率。尤為重要的是，采用B樣條高度場，可以得到光滑且連續的加筋。

技術領域

本發明屬于薄壁結構的加筋優化技術領域，具體涉及一種基于B樣條參數化的薄壁結構的加筋建模與優化方法。

背景技術

薄壁結構由于較高的剛度重量比被廣泛的應用于航空、航天、汽車、船舶等領域。由于其結構剛度、強度、屈曲、振動等力學性能較差,在實際應用中通常設計加勁肋來增強殼體結構，如飛機機翼整體壁板、發動機機匣、導彈殼體、航天飛機的外部燃料箱等都屬于典型的加筋結構。加筋的形狀、尺寸與布局直接影響著結構的重量與性能，因此如何設計薄壁結構的加筋布局，提高結構的承載能力是一直是國內外學者與工業界的高度重視的熱門研究方向。

文獻“H-DGTP--a Heaviside-function based directional growth topologyparameterization for design optimization of stiffener layout and height ofthin-walled structures.Liu S.,Li Q.,Chen W.,Hu R.,Tong L.(2015).Structuraland Multidisciplinary Optimization,52(5),903-913.”提出了一種基于拔模約束的加筋結構設計方法。該方法在固體各向同性材料懲罰方法(Solid isotropic material withpenalty,SIMP)基礎上，利用Heaviside函數對偽密度進行約束，使設計變量可以沿某一方向由大變小，以此實現了利用拓撲優化方法同時設計加筋的布局和高度。該方法的設計變量及最終優化結果仍是具有網格依賴性，所得到的加筋結構存在鋸齒狀邊界問題。該方法使用實體單元模擬薄壁結構，因此實體單元需要劃分的相對細密，導致過程中需要較多的網格。此外，該方法還存在設計變量數目較多，所得的結構無法直接與計算機輔助設計軟件對接等問題。

文獻“Topology optimization in B-spline space[J].Qian X.ComputerMethods in Applied MechanicsEngineering,2013,265(oct.1):15-35.”提出了一種基于B樣條參數化的拓撲優化方法。該方法用B樣條參數場對傳統的SIMP方法進行了改進，用B樣條控制點代替傳統的單元作為設計變量，用B樣條參數場表示優化的拓撲結構。該方法實現了設計變量與網格相互獨立，由于B樣條的高階連續性，所得到的結果光滑且連續。然而，該方法目前只應用于傳統的二維平面，對于加筋方面的拓展有待展開。

發明內容

要解決的技術問題：