[發明專利]基于拓撲優化的柔性工裝設計方法

在審

• 申請號: 202210843225.8
• 申請日: 2022-07-18
• 公開（公告）號: CN115329623A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 王博;徐勝利;周才華;杜凱繁;田闊
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/18;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 西安正華恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 61271
• 代理人: 陳選中

本發明公開了一種基于拓撲優化的柔性工裝設計方法，包括S1、以試驗件在整體模型狀態下作為研究對象進行有限元分析，提取試驗件位移約束點位移以及支反力；S2、采用局部剛度約束方法，對模型局部位移進行約束；S3、建立拓撲優化問題；S4、對柔性工裝進行設計域劃分，并構建柔性工裝的等效構型；S5、拓撲優化柔性工裝的等效構型，以獲取柔性工裝的優化構型；S6、將試驗件在工裝夾持狀態下的仿真數據與整體模型中試驗件仿真數據作對比，若兩者差值大于閾值，則返回步驟S5；反之結束。本發明將拓撲優化技術應用于柔性工裝設計中，設計過程簡單，通過對工裝進行局部剛度控制，準確模擬試驗件真實邊界條件，提高試驗的真實性。

技術領域

本發明屬于柔性工裝設計的技術領域，具體涉及一種基于拓撲優化的柔性工裝設計方法。

背景技術

在力學試驗中，通常需要利用工裝對試驗件進行固定，起到邊界模擬效果。傳統的工裝設計方法一般憑借工程經驗，在考慮工裝與試驗件的連接方式的基礎上追求工裝剛度的最大化，即試驗中工裝基本不發生變形。然而，一些試驗件在整體模型中(包括試驗件及與之連接的其他部件)的連接處存在變形，即試驗件邊界并非完全剛性，此時若使用傳統方式設計的剛性工裝對試驗件進行固定，將無法模擬試驗件真實邊界條件進而很大程度地影響試驗的準確性。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術中的上述不足，提供一種基于拓撲優化的柔性工裝設計方法，以解決傳統技術無法模擬試驗件真實邊界條件進而影響試驗準確性的問題。

為達到上述目的，本發明采取的技術方案是：

一種基于拓撲優化的柔性工裝設計方法，其包括以下步驟：

S1、以試驗件在整體模型狀態下作為研究對象進行有限元分析，提取試驗件位移約束點位移以及支反力；

S2、采用局部剛度約束方法，對模型局部位移進行約束；

S3、基于試驗件局部位移的約束，建立拓撲優化問題；

S4、對柔性工裝進行設計域劃分，并構建柔性工裝的等效構型；

S5、基于拓撲優化問題，拓撲優化柔性工裝的等效構型，以獲取柔性工裝的優化構型；

S6、將試驗件在工裝夾持狀態下的仿真數據與整體模型中試驗件仿真數據作對比，若兩者差值大于閾值，則返回步驟S5；反之結束。

進一步地，步驟S1中的試驗件位移約束點位移包括X向位移和Z向位移；支反力包括X向支反力、Y向支反力和Z向支反力。

進一步地，步驟S2中對模型局部位移進行約束，其局部剛度約束函數為：

其中，u_zx表示模型第z處局部剛度約束處的位移計算值，u_z表示第z處位移約束給定值，Z表示約束位移點的個數；

對局部剛度約束函數進行關于單元設計變量ρ的靈敏度求解：

進一步地，步驟S3具體包括：

以最小化應變能為目標，以設計域體積分數小于給定值、連接處位移與提取位移小于給定值作為約束條件建立拓撲優化問題：

find:ρ＝{ρ₁,ρ₂,...,ρ_N}^T

min:F^TU＝U^TKU

s.t.:F＝KU