[發明專利]一種聯合拓撲優化與形狀優化的水下結構設計方法

有效

• 申請號: 202110281295.4
• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN112989661B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 李輝;黃貽蒼;申勝男;杜濟安
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F111/04;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 彭艷君

本發明涉及水下機械結構件設計技術，具體涉及一種聯合拓撲優化與形狀優化的水下結構設計方法，基于變密度拓撲優化方法結合目標結構實際工況創建拓撲優化設計域并設置目標函數、約束條件與設計變量，通過雙向流固耦合有限元仿真方法計算目標函數與靈敏度來更新設計域內設計變量的分布，最終獲得流固耦合作用下最優拓撲結構；接著同樣在雙向流固耦合有限元仿真方法基礎上，利用形狀優化方法進一步優化結構邊界形狀，提升結構性能，最終得到水下作業環境的最優結構。采用雙向流固耦合方法，提高了水下結構設計的可靠性，同時引入形狀優化方法消除了基于變密度法拓撲優化結果中灰度單元對最優結構的影響，并且進一步提升了結構性能。

技術領域

本發明屬于水下機械結構件設計技術領域，尤其涉及一種聯合拓撲優化與形狀優化的水下結構設計方法。

背景技術

水下機械結構在工作時同時承受固體運動與流體流動產生的作用力，因此對結構機械性能的要求更為嚴格。目前普遍采用的水下工作結構部件多為柱體結構，其非流線型的外觀使得當流體相對運動速度較大時結構表面流體壓力過大，影響結構整體性能與工作效率。目前水下結構的設計更多的集中在對結構件之間的連接關節的性能優化與設計，以確保較為脆弱的關節部位能夠承受較為惡劣的工況，但卻忽略了與流體接觸面積更大的結構件本身的設計優化。如若能夠通過結構設計方法改變結構外形，在保證足夠結構強度的同時減少流體的沖擊載荷，這不但能夠減少整體裝置承受的作用力，也使得如關節部位這樣的脆弱部件受力降低，有效的提升了整體裝置的可靠性。因此，對水下結構件的設計優化及其優化方法的研究具有十分重要的意義與應用價值。

拓撲優化作為一種高設計自由度的結構設計方法，起源于固體結構領域，后被引入流體力學領域，相比于傳統形狀和尺寸優化方法，其突破了經驗主義與結構參數化的限制，有助于挖掘具有優良性能的新型結構。水下結構的拓撲優化問題在物理意義上就是流固耦合作用下的結構拓撲優化問題，但目前對于流固耦合作用下結構的拓撲優化設計大多為單相流固耦合，這種方法僅僅考慮了固體相的結構力學性質，而忽略了流體相邊界與固體相邊界耦合時產生的相互作用與影響。真實工況下的流體會產生相應的壓力作用于固體結構的邊界，而受之影響的固體結構邊界位移也會反過來作用于流場改變其流動狀況。如此一來，變化的流場與變形的固體結構相互作用、相互影響，對二者的綜合分析缺一不可。僅考慮單相流固耦合所設計的結構，難以滿足真實情況下的性能需求。為了更加準確地研究水下結構中流固耦合的動態過程，為水下結構的設計提供依據，有必要引入雙向流固耦合機制，來提高結構設計的有效性。

此外，目前基于變密度法的拓撲優化設計是通過材料屬性插值模型與懲罰因子的引入使設計域內連續的相對密度函數趨向于0-1分布，其中相對密度值為1的區域表示固體，0則表示流體區域，從而通過最終相對密度值的分布得到優化的幾何結構。但是設計域中難免存在眾多介于0和1之間的中間值密度區域，也稱作灰度單元。在提取最終結構時，往往使用某一具體相對密度的等值線或等值面作為最優結構輪廓，忽略了灰度單元對結構性能的影響，也使得最終得到的拓撲優化結構性能并非最優化。為了消除灰度單元對最終優化結果的影響，得到性能更好的優化結構，有必要在拓撲優化之后引入形狀優化，進一步優化結構的邊界輪廓，提升結構性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種聯合拓撲優化與形狀優化的水下結構設計方法，通過基于變密度法的拓撲優化方法獲得流固耦合作用下最優拓撲結構，然后結合形狀優化方法進一步優化結構邊界形狀，提升結構性能，最終得到水下作業環境的最優結構。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種聯合拓撲優化與形狀優化的水下結構設計方法，包括以下步驟：

步驟1：結合水下結構作業環境創建拓撲優化設計域并離散為有限元網格模型，結合結構性能指標設置所需的目標函數、約束條件、設計變量及其初始值，設置拓撲優化過程收斂條件；

步驟2：對設計變量場進行密度過濾與投影，以控制優化結構的最小尺寸、消除優化結果對網格的依賴性并獲得清晰光滑的結構邊界；