考虑结构-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法技术

本发明专利技术公开一种考虑结构‑载荷‑边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法，包括如下步骤：1)判断结构拓扑优化过程是否有结构‑载荷‑边界耦合存在；2)如果有结构‑载荷‑边界耦合存在，采用考虑结构‑载荷‑边界耦合影响的机械结构拓扑优化设计方法，在结构拓扑优化设计的每次迭代运算时均对载荷、边界条件进行更新，直到得到最终的结构拓扑优化设计结果；如果无结构‑载荷‑边界耦合存在，仅以结构材料分布为变量优化迭代。当存在结构‑载荷‑边界耦合时，通过本发明专利技术的优化设计方法可使得结构拓扑优化设计结果更加可靠与准确；而且先判断是否存在结构‑载荷‑边界耦合，有效避免了无结构‑载荷‑边界耦合时盲目更新导致的计算成本增加的问题。

【技术实现步骤摘要】
考虑结构-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法
本专利技术涉及一种考虑结构-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法，属于机械结构优化领域。
技术介绍
机械结构拓扑优化设计方法作为一种重要的机械结构优化方法，其一直以来都是相关领域内研究的重点。其以材料分布为优化对象，根据给定的载荷工况、优化约束条件和优化性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化，以在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的材料分布方案。在结构拓扑优化过程中，常以某特定载荷下的变形、振动等为结构特性衡量指标。例如该载荷为惯性载荷时，其载荷大小会取决于结构本身质量，而载荷作用点会取决于结构质心。随着拓扑优化迭代过程中结构的不断变化，结构质量与质心会发生变化，惯性载荷的大小和作用点也会随着发生变化，从而引起结构在该载荷下的变形亦会变化，导致最终的结构拓扑优化结果会有所不同。可见：在拓扑优化设计过程中，结构自身的变化引起惯性载荷大小与作用点(受载边界条件)发生变化；而惯性载荷大小与作用点(受载边界条件)的变化又会影响最终的结构拓扑优化设计结果，从而形成结构-载荷-边界耦合影响，而该耦合会影响最终的结构拓扑优化设计结果。而又例如当该载荷为物体在均匀流体中所受到的作用力时，该载荷与物体的横截面积有关，随着拓扑优化迭代过程中结构横截面面积与横截面形状的变化，会引起该载荷的变化，同样会出现结构-载荷-边界耦合。因此，当机械结构所承受载荷大小、边界条件(边界条件包括受载边界条件、约束边界条件，其中受载边界条件包括载荷作用点，载荷方向)对机械结构本身有依赖性时，即载荷大小、边界条件会随着拓扑优化过程中结构的变化而发生变化，则存在结构-载荷-边界耦合，其必然对结果拓扑优化结果会产生重要影响。现有的结构拓扑优化设计方法往往只考虑其结构本身的变化，不涉及三者耦合的影响，使得优化结果存在较大误差。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有的结构拓扑优化设计方法误差较大的问题，提供一种考虑结果-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法。技术方案：本专利技术所述的考虑结构-载荷-边界耦合影响的机械结构拓扑优化设计方法，包括如下步骤：1)判断结构拓扑优化过程是否有结构-载荷-边界耦合存在；2)如果有结构-载荷-边界耦合存在，采用考虑结构-载荷-边界耦合影响的机械结构拓扑优化设计方法，在结构拓扑优化设计的迭代过程中，每一次迭代运算时均对载荷、边界条件进行更新，直到得到最终的结构拓扑优化设计结果；如果无结构-载荷-边界耦合存在，结构拓扑优化过程中则无需对载荷与边界条件进行更新，仅以结构材料分布为变量进行优化迭代。上述步骤1)中，判断方法为：分析优化结构所承受的载荷、边界条件是否对机械结构本身有依赖性，即是否会随着结构拓扑优化过程中结构的变化而发生变化，如果优化结构所承受的载荷、边界条件对机械结构本身有依赖性，说明结构拓扑优化设计过程中有结构-载荷-边界耦合存在；反之则无。上述步骤2)中，每一次迭代运算时对载荷、边界条件进行更新的方法为：在结构拓扑优化设计的迭代过程中，根据本次结构拓扑优化设计迭代结果对载荷、边界条件进行更新，在更新后的载荷与边界条件下进行下一次结构拓扑优化设计迭代运算。进一步的，考虑结构-载荷-边界耦合影响的机械结构拓扑优化设计方法具体包括以下步骤：(1)建立机械结构的有限元模型，并且对载荷、边界条件进行初始定义；(2)定义结构拓扑优化设计区域、优化约束条件、优化目标；(3)开始结构拓扑优化迭代计算，在结构拓扑优化设计的迭代过程中，当第n次结构拓扑优化设计迭代计算完成后，根据该次迭代计算结果对载荷、边界条件进行更新，在更新后的载荷与边界条件下进行第n+1次结构拓扑优化迭代运算，直到最终结构拓扑优化设计迭代计算完成；其中，n≥1，且为正整数。当某次结构拓扑优化设计迭代计算收敛时，说明结构拓扑优化设计迭代计算完成，得到最终结构拓扑优化设计结果。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的结构拓扑优化设计过程中考虑可能存在的结构-载荷-边界耦合特性对结构拓扑优化设计结果的影响，当存在结构-载荷-边界耦合时，每次迭代运算过程中对载荷、边界条件进行更新，直到最终的结构拓扑优化设计迭代计算完成，从而使得结构拓扑优化设计结果更加可靠与准确；(2)本专利技术在确定结构拓扑优化设计具体方案前，首先进行了结构-载荷-边界耦合存在性判定，有效避免了无结构-载荷-边界耦合存在时盲目在迭代优化过程中更新载荷、边界条件可能导致的计算成本增加的问题。附图说明图1为本专利技术中存在结构-载荷-边界耦合时的结构拓扑优化设计计算流程图；图2为实施例中进行结构拓扑优化的机械结构的有限元模型；图3为实施例中考虑结构-载荷-边界耦合影响下的结构拓扑优化设计结果，其中图3(a)为机械结构有限元模型的正面视图，图3(b)为机械结构有限元模型的反面视图；图4为实施例中考虑结构-载荷-边界耦合影响下的结构拓扑优化设计迭代过程中惯性载荷大小的更新；图5为实施例中考虑结构-载荷-边界耦合影响下的结构拓扑优化设计迭代过程中惯性载荷作用点位置的更新；图6为实施例中进行结构拓扑优化的机械结构在不考虑结构-载荷-边界耦合影响下的结构拓扑优化设计结果，其中图6(a)为机械结构有限元模型的正面视图，图6(b)为机械结构有限元模型的反面视图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。本专利技术的考虑结构-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法，包括如下步骤：步骤1，判断结构拓扑优化过程是否有结构-载荷-边界耦合存在；具体而言，分析优化结构所承受的载荷、边界条件是否对机械结构本身有依赖性，即优化结构所承受的载荷、边界条件是否会随着结构拓扑优化过程中结构的变化而发生变化；如果优化结构所承受的载荷、边界条件对机械结构本身有依赖性，说明结构拓扑优化设计过程中有结构-载荷-边界耦合存在；反之说明结构拓扑优化设计过程中没有结构-载荷-边界耦合存在。步骤2，如果有结构-载荷-边界耦合存在，则采用考虑结构-载荷-边界耦合影响的机械结构拓扑优化设计方法，如图1，在结构拓扑优化设计的迭代过程中，每一次迭代运算时均对载荷、边界条件进行更新；具体而言，当第n次(n≥1，且为正整数，代表结构拓扑优化设计迭代次数)结构拓扑优化设计迭代计算完成后，根据第n次结构拓扑优化设计迭代结果对载荷、边界条件进行更新，在更新后的载荷与边界条件下进行第n+1次结构拓扑优化迭代运算，直到最终结构拓扑优化设计迭代计算完成。如果无结构-载荷-边界耦合存在，则无需采用考虑结构-载荷-边界耦合影响机械结构拓扑优化设计方法，即结构拓扑优化过程中无需对载荷与边界条件进行更新。而此时的优化过程中，仅以结构材料分布为变量，并参与优化迭代。实施例下面以某机械结构拓扑优化设计过程为例，对本专利技术的优化设计方法进行说明。步骤1，判断结构拓扑优化过程是否有结构-载荷-边界耦合存在；本实施例中选取惯性载荷为机械结构所受载荷，其载荷大小会取决于结构本身质量，随着拓扑优化迭代过程中结构的不断变化，结构质量会发生变化，结构所承受的惯性载荷的大小也会随之发生变化；边界条件一般包括载荷的作用点位置、载荷的作用方向、机械结构受到的边界约束等，本实施例中以载荷的作用点位置为边界条件示例，由于本实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑结构‑载荷‑边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)判断结构拓扑优化过程是否有结构‑载荷‑边界耦合存在；2)如果有结构‑载荷‑边界耦合存在，采用考虑结构‑载荷‑边界耦合影响的机械结构拓扑优化设计方法，在结构拓扑优化设计的迭代过程中，每一次迭代运算时均对载荷、边界条件进行更新，直到得到最终的结构拓扑优化设计结果；如果无结构‑载荷‑边界耦合存在，结构拓扑优化过程中仅以结构材料分布为变量进行优化迭代。

【技术特征摘要】
1.一种考虑结构-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)判断结构拓扑优化过程是否有结构-载荷-边界耦合存在；2)如果有结构-载荷-边界耦合存在，采用考虑结构-载荷-边界耦合影响的机械结构拓扑优化设计方法，在结构拓扑优化设计的迭代过程中，每一次迭代运算时均对载荷、边界条件进行更新，直到得到最终的结构拓扑优化设计结果；如果无结构-载荷-边界耦合存在，结构拓扑优化过程中仅以结构材料分布为变量进行优化迭代。2.根据权利要求1所述的考虑结构-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤1)中，分析优化结构所承受的载荷、边界条件是否对机械结构本身有依赖性，即是否会随着结构拓扑优化过程中结构的变化而发生变化，如果优化结构所承受的载荷、边界条件对机械结构本身有依赖性，说明结构拓扑优化设计过程中有结构-载荷-边界耦合存在；反之则无。3.根据权利要求1所述的考虑结构-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤2)中，每一次迭代运算时对所述载荷、边界条件进行更新的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨勇，刘威，蒋全胜，彭璇，张元晶，马振武，殷振，沈晔湖，李华，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32