The invention discloses a structural topology optimization method, which includes the following steps: defining the initial structure and corresponding level set function; average interpolation of the current node level set function value_N to get the initial level set function value_of each element; introducing the concept of level set band with adjustable width and parameter_used to control the range of intermediate density, and passing the unit level set function value_through parameters as follows: The mapping function of is processed to obtain the element density value H(_) distributed between 0_1, i.e. the topological structure with intermediate density; the finite element analysis of the topological structure is carried out to update the value of the node level set function_N; iteration and convergence judgment are carried out to obtain the structural design with clear boundary; and the optimization results are output. The invention can realize continuous topological evolution, solve boundary-related optimization problems, ensure the physical manufacturability of optimization results, obtain reasonable structural topology, and eventually obtain a structural design with clear boundary expressed by zero level set when convergence occurs.
【技术实现步骤摘要】
一种结构拓扑优化方法
本专利技术涉及结构优化设计相关
,特别涉及一种基于可调节宽度水平集带的结构拓扑优化方法。
技术介绍
基于材料插值模型的变密度法(以SIMP方法为代表)和水平集方法是目前拓扑优化的两种常用方法。变密度法是引入假想的可在0-1之间连续取值的单元伪密度作为设计变量,然后假定材料物理属性值如弹性模量与伪密度之间存在函数关系的拓扑优化方法。其中,SIMP模型是变密度法中最常用的模型,其单元弹性模量E取为单元伪密度的函数:E(ρ)=ρpE0其中,p为惩罚因子,ρ为材料伪密度,E0为实体材料的弹性模量。在实际的应用中,当p取值较小时,优化结构含有大部分的灰色单元即中间密度单元,而当p取值较大时又往往会出现收敛过快从而陷入局部最优的问题。因此,目前实际应用中一般取p=3。该方法通过惩罚因子p的作用实现材料伪密度趋近于0或1从而逐渐去除结构中的中间密度单元,但该方法有两个问题:1.对于三维复杂结构最终结果往往仍然存在大量中间密度单元无法消除;2.对于同时涉及质量与刚度的优化问题如结构自重及动力学问题,需要质量与刚度同时进行惩罚,但由于质量与刚度的物理属性不同,同样的惩罚因子会因为惩罚效果不匹配导致收敛问题,往往需要进行额外处理。基于水平集的拓扑优化方法,是利用高维标量水平集函数场φ的零等值线(二维问题)或零等值面(三维问题),即φ=0,来隐式描述结构的几何轮廓或不同材料的交界面,并利用特定的速度场驱动结构的边界演化,得到非0即1的离散材料分布和明确的结构边界,但水平集方法由于不存在中间密度,拓扑演化过程不连续,往往存在初始设计的依赖性问题,即初始 ...
【技术保护点】
1.一种结构拓扑优化方法,其特征在于,包括如下步骤:S1、选择一个设计域并进行离散和有限元网格划分,导出节点信息、单元信息;S2、选定需要优化的目标函数,根据实际工作状况施加位移约束条件和荷载;S3、给定初始水平集带宽度2Δinit及各节点的初始水平集函数值φNinit,使材料在设计域范围内满布;S4、将当前的节点水平集函数值φN平均插值得到各单元初始水平集函数值φ;S5、将单元水平集函数值φ通过参数为Δ的映射函数处理得到分布在0‑1之间的单元密度值H(φ),即得到含有中间密度的拓扑结构,Δ表示用于控制中间密度范围的参数;S6、对上一步得到的拓扑结构采用基于水平集的拓扑优化方法进行有限元分析,得到当前用于驱动速度场演化的响应量,进而得到新的节点水平集函数值φN;S7、迭代收敛判断,当优化目标达到标准时,优化迭代结束,执行步骤S8,否则按式Δ=Δ‑Δt更新参数Δ值,并重复步骤S4至步骤S7,Δt表示预设的每步减小幅度;S8、输出优化结果。
【技术特征摘要】
1.一种结构拓扑优化方法,其特征在于,包括如下步骤:S1、选择一个设计域并进行离散和有限元网格划分,导出节点信息、单元信息;S2、选定需要优化的目标函数,根据实际工作状况施加位移约束条件和荷载;S3、给定初始水平集带宽度2Δinit及各节点的初始水平集函数值φNinit,使材料在设计域范围内满布;S4、将当前的节点水平集函数值φN平均插值得到各单元初始水平集函数值φ;S5、将单元水平集函数值φ通过参数为Δ的映射函数处理得到分布在0-1之间的单元密度值H(φ),即得到含有中间密度的拓扑结构,Δ表示用于控制中间密度范围的参数;S6、对上一步得到的拓扑结构采用基于水平集的拓扑优化方法进行有限元分析,得到当前用于驱动速度场演化的响应量,进而得到新的节点水平集函数值φN;S7、迭代收敛判断,当优化目标达到标准时,优化迭代结束,执行步骤S8,否则按式Δ=Δ-Δt更新参数Δ值,并重复步骤S4至步骤S7,Δt表示预设的每步减小幅度;S8、输出优化结果。2.根据权利要求1所述的结构拓扑优化方法,其特征在于,所述步骤S1中通过编译代码对设计域进行离散和有限元网格划分。3.根据权利要求1所述的结构拓扑优化方法,其特征在于,所述步骤S1中在有限元建模、分析...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。