一种三维实体结构拓扑优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种三维实体结构拓扑优化方法及系统，通过采用三维CAD软件建立三维实体结构的结构模型，将结构模型导入有限元分析软件中，建立有限元模型并确定优化区域，将优化区域存储在优化区域单元；利用功能截面分解法对三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面；对若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果；通过分组匹配确定各截面的优化结果的对应关系，采用三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型；根据工艺约束条件对三维重构模型进行尺寸优化，得到优化后的三维模型。本发明专利技术能够提高大型、复杂结构的拓扑优化效率，且能够增强拓扑优化结果的可读性。

Topology optimization method and system for 3D solid structure

The invention discloses a method and system for topological optimization of three-dimensional solid structure. The structure model of three-dimensional solid structure is established by using three-dimensional CAD software, the structure model is imported into the finite element analysis software, the finite element model is established and the optimization region is determined, and the optimization region is stored in the optimization region unit; and the functional section is used. The decomposition method is used to optimize and reduce the dimension of the three-dimensional solid structure, and several groups of two-dimensional functional sections are obtained. The three-dimensional reconstruction model is reconstructed and optimized according to the process constraints. The invention can improve the topology optimization efficiency of large-scale and complex structures, and can enhance the readability of topology optimization results.

【技术实现步骤摘要】
一种三维实体结构拓扑优化方法及系统
本专利技术涉及实体结构拓扑优化
，特别是涉及一种三维实体结构拓扑方法及系统。
技术介绍
在航天航空、汽车、船舶等领域，对装备的轻量化与高承载性等性能要求越来越显著，结构拓扑优化设计成为国内外各行业的研究热点。拓扑优化是在结构拓扑关系未知的情况下对材料进行空间的重新分配，由于优化过程中结构的边界形状会发生改变、设计变量难以定量描述、设计区域预先未知等因素导致拓扑优化的求解难度大大增加，因此，拓扑优化理论发展比较缓慢。目前针对复杂工况下的三维实体结构，普遍采用的是已在仿真优化软件中集成的变密度拓扑优化法，然而由于结构、工况的复杂性，优化过程常常出现数值不稳定导致耗时较长及拓扑优化结果难以精确辨识导致难以对结构优化提出有效指导等问题，因此，需要探索更加有效的思路来解决这些问题。
技术实现思路
鉴于上述问题，提出了本专利技术以便克服上述问题的一种三维实体结构拓扑优化方法及系统，以提高三维实体结构拓扑优化效率并增强拓扑优化结果可读性。为达到上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种三维实体结构拓扑优化方法，包括：采用三维CAD软件建立三维实体结构的结构模型，将所述结构模型导入有限元分析软件中，建立有限元模型并确定优化区域，将所述优化区域存储在优化区域单元；利用功能截面分解法对所述三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面；对所述若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果；通过分组匹配确定所述各截面的优化结果的对应关系，采用所述三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型；根据工艺约束条件对所述三维重构模型进行尺寸优化，得到优化后的三维模型。进一步的，所述利用功能截面分解法对所述三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面，包括：选取所述三维实体结构上的一点作为原点构建三维直角坐标系；根据理论力学相关原理，将所述三维实体结构的受力情况简化到选取的点上；将主失和主矩分解到所述三维直角坐标系的三个坐标轴上，以构成的三个平面作为功能截面组基面，通过等效负载得到各基面对应的力和力矩；将各基面对应的力和力矩按照预设公式进行归一化，得到各基面对应的承载力，根据所述各基面对应的承载力，确定主要功能截面组基面、次要功能截面组基面和辅助功能截面组基面。进一步的，所述预设公式为其中，Gi表示基面归一化后对应的承载力，Fi、Mi分别为主矢和主矩，Fmax、Mmax分别为主矢和主矩中的最大值。进一步的，所述对所述若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果，包括：依据各功能截面位置、受载情况以及所述优化结果，基于载荷等效原理在所述三维CAD软件中建立所述各功能截面的结构模型，将所述各功能截面的结构模型导入所述有限元分析软件中，依次建立对应的二维功能截面有限元模型；将所述优化区域单元的相对密度作为设计变量，以体积比作为约束条件、以柔度最小作为目标，利用优化软件中集成的变密度拓扑优化法对所述二维功能截面有限元模型进行拓扑优化，得到所述各截面的优化结果。进一步的，所述通过分组匹配确定所述各截面的优化结果的对应关系，采用所述三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型，包括：通过分组匹配确定所述各个截面的轮廓拓扑数据的对应关系；根据预设比例关系将各个截面的轮廓拓扑数据进行分析，使拓扑对应特征具有相同的数据点数；采用所述三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型。本专利技术还公开了一种三维实体结构拓扑优化系统，包括：模型构建单元，用于采用三维CAD软件建立三维实体结构的结构模型，将所述结构模型导入有限元分析软件中，建立有限元模型并确定优化区域，将所述优化区域存储在优化区域单元；降维单元，用于利用功能截面分解法对所述三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面；二维拓扑优化单元，用于对所述若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果；三维重构单元，用于通过分组匹配确定所述各截面的优化结果的对应关系，采用所述三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型；三维拓扑优化单元，用于根据工艺约束条件对所述三维重构模型进行尺寸优化，得到优化后的三维模型。进一步的，所述降维单元包括：选取单元，用于选取所述三维实体结构上的一点作为原点构建三维直角坐标系；处理单元，用于根据理论力学相关原理，将所述三维实体结构的受力情况简化到选取的点上；分解单元，用于将主失和主矩分解到所述三维直角坐标系的三个坐标轴上，以构成的三个平面作为功能截面组基面，通过等效负载得到各基面对应的力和力矩；归一化单元，用于将各基面对应的力和力矩按照预设公式进行归一化，得到各基面对应的承载力，根据所述各基面对应的承载力，确定主要功能截面组基面、次要功能截面组基面和辅助功能截面组基面。进一步的，所述预设公式为其中，Gi表示基面归一化后对应的承载力，Fi、Mi分别为主矢和主矩，Fmax、Mmax分别为主矢和主矩中的最大值。进一步的，所述二维拓扑优化单元具体用于：依据各功能截面位置、受载情况以及所述优化结果，基于载荷等效原理在所述三维CAD软件中建立所述各功能截面的结构模型，将所述各功能截面的结构模型导入所述有限元分析软件中，依次建立对应的二维功能截面有限元模型；将所述优化区域单元的相对密度作为设计变量，以体积比作为约束条件、以柔度最小作为目标，利用优化软件中集成的变密度拓扑优化法对所述二维功能截面有限元模型进行拓扑优化，得到所述各截面的优化结果。进一步的，所述三维重构单元具体用于：通过分组匹配确定所述各个截面的轮廓拓扑数据的对应关系；根据预设比例关系将各个截面的轮廓拓扑数据进行分析，使拓扑对应特征具有相同的数据点数；采用所述三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开了一种三维实体结构拓扑优化方法及系统，通过采用三维CAD软件建立三维实体结构的结构模型，将结构模型导入有限元分析软件中，建立有限元模型并确定优化区域，将优化区域存储在优化区域单元；利用功能截面分解法对三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面；对若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果；通过分组匹配确定各截面的优化结果的对应关系，采用三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型；根据工艺约束条件对三维重构模型进行尺寸优化，得到优化后的三维模型。本专利技术通过将三维拓扑优化问题转换成二维截面拓扑优化问题，再将二维拓扑优化结果重构成三维模型，将功能截面分解与截面轮廓重构结合到复杂三维结构的拓扑优化中，能够提高大型、复杂结构的拓扑优化效率，且能够增强拓扑优化结果的可读性。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本专利技术的具体实施方式。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维实体结构拓扑优化方法，其特征在于，包括：采用三维CAD软件建立三维实体结构的结构模型，将所述结构模型导入有限元分析软件中，建立有限元模型并确定优化区域，将所述优化区域存储在优化区域单元；利用功能截面分解法对所述三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面；对所述若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果；通过分组匹配确定所述各截面的优化结果的对应关系，采用所述三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型；根据工艺约束条件对所述三维重构模型进行尺寸优化，得到优化后的三维模型。

【技术特征摘要】
1.一种三维实体结构拓扑优化方法，其特征在于，包括：采用三维CAD软件建立三维实体结构的结构模型，将所述结构模型导入有限元分析软件中，建立有限元模型并确定优化区域，将所述优化区域存储在优化区域单元；利用功能截面分解法对所述三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面；对所述若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果；通过分组匹配确定所述各截面的优化结果的对应关系，采用所述三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型；根据工艺约束条件对所述三维重构模型进行尺寸优化，得到优化后的三维模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用功能截面分解法对所述三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面，包括：选取所述三维实体结构上的一点作为原点构建三维直角坐标系；根据理论力学相关原理，将所述三维实体结构的受力情况简化到选取的点上；将主失和主矩分解到所述三维直角坐标系的三个坐标轴上，以构成的三个平面作为功能截面组基面，通过等效负载得到各基面对应的力和力矩；将各基面对应的力和力矩按照预设公式进行归一化，得到各基面对应的承载力，根据所述各基面对应的承载力，确定主要功能截面组基面、次要功能截面组基面和辅助功能截面组基面。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设公式为其中，Gi表示基面归一化后对应的承载力，Fi、Mi分别为主矢和主矩，Fmax、Mmax分别为主矢和主矩中的最大值。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果，包括：依据各功能截面位置、受载情况以及所述优化结果，基于载荷等效原理在所述三维CAD软件中建立所述各功能截面的结构模型，将所述各功能截面的结构模型导入所述有限元分析软件中，依次建立对应的二维功能截面有限元模型；将所述优化区域单元的相对密度作为设计变量，以体积比作为约束条件、以柔度最小作为目标，利用优化软件中集成的变密度拓扑优化法对所述二维功能截面有限元模型进行拓扑优化，得到所述各截面的优化结果。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过分组匹配确定所述各截面的优化结果的对应关系，采用所述三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型，包括：通过分组匹配确定所述各个截面的轮廓拓扑数据的对应关系；根据预设比例关系将各个截面的轮廓拓扑数据进行分析，使拓扑对应特征具有相同的数据点数；采用所述三维CAD软件中的扫掠法进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟德辉，袁志玲，李云强，胡琦山，
申请(专利权)人：潍柴动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37