[發(fā)明專利]一種基于全局化求解策略的連續(xù)體結(jié)構(gòu)幾何非線性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110374842.3
• 申請(qǐng)日: 2021-04-08
• 公開（公告）號(hào): CN113361154A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葉紅玲;苑博帥;李宗翰;張譯文;隋允康
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種基于全局化求解策略的連續(xù)體結(jié)構(gòu)幾何非線性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，當(dāng)結(jié)構(gòu)在載荷作用下產(chǎn)生非線性響應(yīng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的初始概念設(shè)計(jì)；其特征包括以下步驟：

第一步，建立基結(jié)構(gòu)有限元模型；

第二步，求出結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力形成以結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度為約束的拓?fù)鋬?yōu)化模型；

第三步，設(shè)置拓?fù)渥兞砍踔挡⑻崛』Y(jié)構(gòu)信息，包括單元拓?fù)渥兞俊卧邢拊畔?、單元幾何信息及單元材料信息?/p>

第四步，運(yùn)行幾何非線性分析，并提取各單元的應(yīng)變能值；

第五步，利用第四強(qiáng)度理論將多約束問(wèn)題轉(zhuǎn)化為極值問(wèn)題，并基于全局化的方法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行顯式化：

第六步，對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行靈敏度分析及并用MMA算法求解；

第七步，判斷結(jié)果是否滿足質(zhì)量收斂精度，若不滿足返回第四步；若滿足，則反演最優(yōu)連續(xù)拓?fù)渥兞恐钡綕M足強(qiáng)度要求，輸出離散拓?fù)渥兞?，獲得最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全局化求解策略的連續(xù)體結(jié)構(gòu)幾何非線性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，第一步所述的建立基結(jié)構(gòu)有限元模型，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

建立幾何模型并形成基結(jié)構(gòu)有限元模型，賦予單元材料屬性，設(shè)置邊界條件、外載荷條件、載荷迭代步和收斂條件，并設(shè)置相關(guān)的輸出結(jié)果。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全局化求解策略的連續(xù)體結(jié)構(gòu)幾何非線性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，第二步所述的輸入優(yōu)化相關(guān)優(yōu)化參數(shù)，形成優(yōu)化模型，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

規(guī)定設(shè)計(jì)域，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)和應(yīng)力約束值，進(jìn)而形成幾何非線性拓?fù)鋬?yōu)化模型，設(shè)置算法收斂精度ε、過(guò)濾半徑r；

其中，x是單元拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量向量；W是結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；是單元初始質(zhì)量；質(zhì)量過(guò)濾函數(shù)f_w(x_i)＝x_i；σ_i為單元i的von-Mises應(yīng)力；為單元i的許用應(yīng)力；應(yīng)力過(guò)濾函數(shù)f_σ(x_i)＝x_i^p，p為懲罰因子，這里取值p＝3；N表示單元數(shù)目；為了防止拓?fù)渲等?時(shí)結(jié)構(gòu)剛度矩陣可能出現(xiàn)奇異，取x_i＝0.001。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全局化求解策略的連續(xù)體結(jié)構(gòu)幾何非線性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)置拓?fù)渥兞砍踔挡⑻崛』Y(jié)構(gòu)信息，包括單元拓?fù)渥兞俊卧邢拊畔ⅰ卧獛缀涡畔⒓皢卧牧闲畔ⅲ鋵?shí)現(xiàn)過(guò)程為：

對(duì)拓?fù)渥兞抠x予初始值，對(duì)所有單元進(jìn)行初始化；隨后ANSYS讀取命令流文件，根據(jù)命令流文件中的節(jié)點(diǎn)、單元屬性、邊界條件、外載荷、載荷增量步和收斂條件信息，并對(duì)拓?fù)渥兞考皩?duì)應(yīng)上下限數(shù)組進(jìn)行初始化，為求解優(yōu)化模型提供有限元模型信息。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全局化求解策略的連續(xù)體結(jié)構(gòu)幾何非線性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，第四步所述對(duì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何非線性分析，并提取分析結(jié)果，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，并提取單元的應(yīng)變與應(yīng)變能信息，為建立優(yōu)化模型的顯式化方程提供結(jié)構(gòu)單元的變形參數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全局化求解策略的連續(xù)體結(jié)構(gòu)幾何非線性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，第五步利用第四強(qiáng)度理論將多約束問(wèn)題轉(zhuǎn)化為極值問(wèn)題，并基于全局化的方法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行顯式化，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

應(yīng)力約束下的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化，由于單元的數(shù)量太多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的約束數(shù)量變多；由于應(yīng)力約束本質(zhì)上是局部性約束，將其轉(zhuǎn)化為全局性約束是一個(gè)突破性的思路；通過(guò)利用第四強(qiáng)度理論，從畸變比能的本質(zhì)出發(fā)，將局部的應(yīng)力約束問(wèn)題轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)變能約束問(wèn)題；從能量約束出發(fā)使局部性的應(yīng)力約束變成了全局性的，減少了約束數(shù)目；這種策略與方法的好處在于可以克服應(yīng)力約束數(shù)目過(guò)多和敏度計(jì)算量太大的困難；

采用應(yīng)力全局化的方法建立以結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕為目標(biāo)，以應(yīng)變能為約束的拓?fù)鋬?yōu)化模型：

其中，Q_i是單元應(yīng)變能，為結(jié)構(gòu)許用應(yīng)變能，ζ為應(yīng)變能修正系數(shù)。