[發明專利]變剛度可降解復合結構優化設計方法

在審

• 申請號: 202110771883.6
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN114329800A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 張橫;丁曉紅;徐世鵬
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/10;G06F111/04;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

1.一種變剛度可降解復合結構優化設計方法，用于對復合結構進行結構優化設計，其特征在于，所述復合結構由至少兩種具有不同剛度和不同降解性能的材料組成，

所述變剛度可降解復合結構優化設計方法包括如下步驟：

步驟S1，按照特定要求，構造所述復合結構的初始幾何模型；

步驟S2，將所述初始幾何模型劃分為有限個相同單元e，建立所述復合結構的有限元模型，所述有限元模型至少包括設計變量x_e和殘留率y_e，所述設計變量x_e用于描述所述材料的分布，所述殘留率y_e用于描述所述材料的降解程度；

步驟S3，分別計算各個所述單元e的降解率d_e；

步驟S4，基于所述降解率d_e以及所述單元e的相鄰單元的降解率，分別計算各個所述單元e的殘留率y_e；

步驟S5，基于所述有限元模型以及所述殘留率y_e，進行有限元分析，分析不同時間步下所述復合結構的力學性能；

步驟S6，對所述設計變量x_e進行針對降解時間t_i的靈敏度分析；

步驟S7，重復步驟S3至S6，直至達到指定時間步；

步驟S8，根據預定目標函數J，使用移動漸近線算法更新所述有限元模型中的所述設計變量x_e；

步驟S9，使用更新后的所述設計變量x_e重新計算所述目標函數J；

步驟S10，判斷是否滿足預定的終止條件，當不滿足時，重復所述步驟S3至S9，當滿足所述終止條件時，則停止迭代，得到最終的所述設計變量x_e，并根據所述設計變量x_e來設計所述復合結構，

其中，所述復合結構在所述結構優化設計過程中的優化數學模型為：

find:X(x_e)

min:

s.t.:K(x,y,t)U＝F

v₁(x_e)≤fv₀

0x_min≤x_e≤1,e＝1,2,...,m

式中，X為所述設計變量x_e的集合，v₁為所述復合結構中材料1的最終體積，v₀為總體積，f為體積分數，x_min為x_e的最小值，C為結構應變能。

2.根據權利要求1所述的變剛度可降解復合結構優化設計方法，其特征在于：

其中，所述初始幾何模型具有邊界條件，所述邊界條件至少包括可降解邊界、載荷以及約束。

3.根據權利要求1所述的變剛度可降解復合結構優化設計方法，其特征在于：

其中，所述單元e的降解率d_e通過如下公式計算得到：

式中，γ為常數，H為Heaviside函數，i為降解時間步，Γ為所述單元e的相鄰單元集合，α為所述相鄰單元集合Γ中的第α個元素，y_b＝0.1。

4.根據權利要求3所述的變剛度可降解復合結構優化設計方法，其特征在于：

其中，所述單元e的殘留率y_e通過如下公式計算得到：

式中，η為常數，yⁱ為所述單元e在時間步i時的殘留率。

5.根據權利要求4所述的變剛度可降解復合結構優化設計方法，其特征在于：

其中，通過如下公式進行有限元分析：

K(x,y(t_i))U＝F

K是結構的整體剛度矩陣，U為位移向量，F為力向量，

對于可降解結構，所述整體剛度矩陣K為：

式中，B為幾何矩陣，D為彈性系數矩陣，Ω_e為單元的體積，k_e為單元剛度矩陣。