[發明專利]等效靜荷載獲取方法、拓撲優化方法及系統

有效

• 申請號: 202110416409.1
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN112818583B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 敬海泉;羅楷明;何旭輝
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 鄧宇

本發明公開了等效靜荷載獲取方法、拓撲優化方法及系統，根據工程實際構建拓撲的實體模型，并對所述實體模型施加移動荷載和自重荷載，得到拓撲的有限元模型；根據所述有限元模型求解所述拓撲在移動荷載作用下的位移場；構建等效靜荷載及其產生的位移場之間的關聯方程，基于每個時刻等效靜荷載產生的位移場與移動荷載在同一時刻產生的位移場相同的原理，將所述拓撲在移動荷載作用下的位移場代入所述關聯方程，求解出所述拓撲的等效靜荷載。相比現有技術，本發明充分考量了移動荷載在拓撲上的動力效應，計算出的等效靜荷載能準確反映施加移動荷載作用下的拓撲受力情況，進而使得使用該等效靜荷載進行拓撲優化方法的優化效果更好。

技術領域

本發明涉及結構設計和優化技術領域，尤其涉及等效靜荷載獲取方法、拓撲優化方法及系統。

背景技術

拓撲結構設計時，為了計算方便，一般采用等效均布荷載代替拓撲上不連續分布的實際荷載，現有的等效荷載獲取方法一般根據作用力與反作用力的原理,推導了預應力等效荷載的計算公式及方法，然而這種方法并未考量拓撲結構在移動荷載作用下受力情況，導致計算出來的等效靜荷載并不能準確反映施加移動荷載作用下的拓撲受力情況，進而影響使用該等效靜荷載進行拓撲優化方法的優化效果。

因此，如何解決現有的等效靜荷載獲取方法并未考量拓撲結構在移動荷載作用下受力情況，導致計算出的等效靜荷載并不能準確反映施加移動荷載作用下的拓撲受力情況已成為本領域技術人員亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明提供了等效靜荷載獲取方法、拓撲優化方法及系統，用于解決現有的等效靜荷載獲取方法并未考量拓撲結構在移動荷載作用下受力情況，導致計算出的等效靜荷載并不能準確反映施加移動荷載作用下的拓撲受力情況的技術問題。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

一種等效靜荷載獲取方法，包括以下步驟：

根據工程實際構建拓撲的實體模型，并對實體模型施加移動荷載和自重荷載，得到拓撲的有限元模型；根據有限元模型求解拓撲在移動荷載作用下的位移場；構建等效靜荷載及其產生的位移場之間的關聯方程，基于每個時刻等效靜荷載產生的位移場與移動荷載在同一時刻產生的位移場相同的原理，將拓撲在移動荷載作用下的位移場代入關聯方程，求解出拓撲的等效靜荷載。

優選的，對實體模型施加移動荷載通過雙向加載法實現。

優選的，雙向加載法具體為：

在一個加載過程進行雙向移動荷載的動力分析，并將兩相反方向的移動荷載作用情況視為一次加載過程中兩個相互獨立的過程。

優選的，對實體模型施加自重荷載通過結構搜索法實現。

優選的，根據有限元模型求解拓撲在移動荷載作用下的位移場，具體包括以下步驟：

構建有限元模型的結構動力微分方程，采用逐步積分法求解結構動力微分學的方程，得到拓撲在移動荷載作用下的位移場。

一種拓撲優化方法，包括以下步驟：

使用上述的等效靜荷載獲取方法計算待優化拓撲的等效靜荷載；

將等效靜荷載施加于待優化拓撲的目標優化模型中，求解目標優化模型的最優解，得到待優化拓撲的最優拓撲方案。

優選的，目標優化模型為：

其中，表示實數矩陣，表示拓撲密度，C表示加權應變能，為時間步數；表示加權因子的權重； 是第時刻的應變能；是第時刻的移動荷載矢量；是第時刻的位移矢量；是單元總數，為單元序號；是第個單元的體積； 是設計體積；是第個單元的相對密度，表示由決定的總剛度矩陣，為等效靜荷載，為時刻序號。