一种新型平面结构的设计系统及设计方法技术方案

本发明专利技术提出了一种新型平面结构的设计系统，包括：建模模块、分析模块、优化模块、细化模块及显示模块；建模模块用于生成初始模型；分析模块用于求解所述初始模型的刚度矩阵和位移，并计算出设计变量的值；优化模块用于求解出目标函数的结果；之后对所述目标函数的结果迭代优化，获取初始控制点对应的最优设计变量值；细化模块用于获取初始控制点对应的最优化显示控制点；显示模块用于获取最优化模型的云图。本发明专利技术将系统分解成五个模块，使得程序更加简洁，同时减少了建模时候的控制点，使得计算的工作量减少，程序运行的速度大幅度提高，并通过对模型的分片和拼接，简化了建模的复杂程度。本发明专利技术还提出了一种新型平面结构的设计方法。

Design System and Design Method of a New Planar Structure

【技术实现步骤摘要】
一种新型平面结构的设计系统及设计方法
本专利技术机械设计
，尤其涉及一种新型平面结构的设计系统及设计方法。
技术介绍
机械设计是机械工业中最重要的环节，就是在各种限定的条件下(如材料，加工，理论知识和计算手段等)下设计出最优方案，即做出优化设计。以往设计的优化主要依靠设计者的知识，经验和远见。随着机械工程理论发展和计算机设计软件的应用，使机械设计更加高效，精准。之后等几何理论的发展，使得机械设计优化更加的简单。以NURBS作为基函数的体参数化模型实体表达方法，NURBS高阶连续性保证了存在许多有效且数值稳定的算法来产生和优化体参数模型，而且基于该模型的等几何分析方法具有强大的灵活性、优异的精确性和收敛性等优势，因此一经提出在各领域得到了应用及推进。体参数化模型的控制点控制模型的几何形状，通过NURBS基函数实现体参数化模型的构建，实现材料的连续性表达。传统等几何分析优化设计方法中，利用NURBS曲线表达模型，所以在建立模型时，需给出模型的全部控制点，计算目标函数对设计变量进行优化迭代，得到最优解。但是以上方法具有很严重的缺点，当模型属于较复杂的模型，或者模型中带有多个孔，给出全部的控制点的方法就显得十分的复杂。因为构成一个圆形，根据NURBS曲线的理论，不仅需要给出控制点的所有坐标，还需要给出控制点的权重。一个复杂的模型的控制点的数量甚至可以达到几百几千个。即使可以给出全部的控制点，在求解目标函数对设计变量的导数时，也会变得异常的繁琐。例如，当优化模型的柔度时，也就是计算目标函数对设计变量的导数，根据公式推导之后，会等效到计算控制点对设计变量的导数，控制点的数量庞大，导致了导数难以求解。当求解出所有的控制点对设计变量的导数后，程序的计算速度就会大大降低。因此，亟需一种新型平面结构设计系统及方法，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型平面结构的设计系统及设计方法，以解决现有技术中存在的上述问题。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：本专利技术提出了一种新型平面结构的设计系统，包括：建模模块，以初始控制点为输入参数，用于生成初始模型；分析模块，用于求解所述初始模型的刚度矩阵和位移，并计算出设计变量的值；优化模块，以初始控制点、设计变量的值为输入参数，用于求解出目标函数的结果；之后对所述目标函数的结果迭代优化，获取初始控制点对应的最优设计变量值；细化模块，用于将最优设计变量值进行细化，以获取初始控制点对应的最优化显示控制点；显示模块，用于导入最优化显示控制点，以获取最优化模型的云图。优选地，所述建模模块包括控制点存储子模块、模型生成子模块和目标函数导数计算子模块；所述控制点存储子模块用以存储所述初始控制点；所述模型生成子模块用于生成所述初始模型；所述目标函数导数计算子模块用于计算目标函数对所述设计变量的导数。优选地，所述分析模块包括刚度矩阵计算组装子模块和位移计算子模块；所述刚度矩阵计算组装子模块用以求解单元的刚度矩阵、组装单元及求解组装后的刚度矩阵；所述位移计算子模块，根据组装后的刚度矩阵，求解各个节点的位移。优选地，所述优化模块包括目标函数结果求解子模块和结果迭代子模块；所述目标函数结果求解子模块用以求解目标函数的结果、判断该结果是否为最优解；所述结果迭代子模块，用以迭代出最优设计变量值。优选地，所述细化模块包括多个细化子模块。优选地，所述显示模块包括位移子模块和应力子模块。优选地，所述目标函数为：foval＝uKu。本专利技术还一种新型平面结构的设计方法，包括以下步骤：步骤S1：将初始控制点输入至所述建模模块以生成初始模型；步骤S2：通过分析模块，分析该初始模型的刚度矩阵和位移，计算出设计变量的值；步骤S3：将初始控制点导入到优化模块中，求解出目标函数的结果；步骤S4：判断目标函数结果是否为最优设计变量值，若是进行步骤S5，若不是，返回步骤S3，继续求解目标函数的结果；步骤S5：对所述最优设计变量值进行数值细化，以获取最优化显示控制点；步骤S6：将最优化显示控制点进行位移或应力云图的显示。与现有技术相比，本专利技术的优点为：1)将分析优化程序分解成五个模块，使得程序更加简洁，更加利于操作，也有利于以后多功能的开发。2)大量的减少了建模时候的控制点，使得计算的工作量大大的减少，程序运行的速度大幅度的提高，并通过对模型的分片和拼接，简化了建模的复杂程度。3)实现单片刚度矩阵的计算，通过程序实现单片之间刚度矩阵组装，合并成总刚度矩阵，实现模型的多片分析。附图说明图1为本专利技术一实施例的新型平面结构的设计系统的框架图；图2为本专利技术一实施例的新型平面结构的设计方法的流程图；图3为本专利技术一实施例中需要进行设计的模型图；图4为图3中模型的分片图；图5为图4中两片之间的控制点编号图；图6为图5中初始控制点图；图7为由图6生成的初始模型图；图8为优化后的最优化控制点图；图9为生成的最优化模型图；图10为细化后的最优化显示控制点图；图11为最优化模型的位移云图；图12为细化后的初始控制点图；图13为初始模型的位移云图。其中，1-建模模块，11-控制点存储子模块，12-模型生成子模块，13-目标函数导数计算子模块，2-分析模块，21-刚度矩阵计算组装子模块，22-位移计算子模块，3-优化模块，31-目标函数结果求解子模块，32-结果迭代子模块；4-细化模块，41-h细化子模块，42-k细化子模块，43-细化倍数选择子模块，5-显示模块，51-位移子模块，52-应力子模块。具体实施方式下面将结合示意图对本专利技术的新型平面结构的设计系统及设计方法进行更详细的描述，其中表示了本专利技术的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本专利技术，而仍然实现本专利技术的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本专利技术的限制。如图1所示，本实施例提出了一种新型平面结构的设计系统，包括：建模模块1、分析模块2、优化模块3、细化模块4和显示模块5五个模块。将该设计系统分解成五个模块，使得程序更加简洁，更加利于操作，也有利于以后多功能的开发。其中，5个模块的具体功能及结构具体如下：建模模块1，以初始控制点为输入参数，用于生成初始模型；建模模块1大量的减少了建模时候的控制点，使得计算的工作量大大的减少，程序运行的速度大幅度的提高，并通过对模型的分片和拼接，简化了建模的复杂程度。分析模块2，用于求解初始模型的刚度矩阵和位移，并计算出设计变量的值；实现单片刚度矩阵的计算，通过程序实现单片之间刚度矩阵组装，合并成总刚度矩阵，实现模型的多片分析。优化模块3，以初始控制点、设计变量的值为输入参数，用于求解出目标函数的结果；之后对目标函数的结果迭代优化，获取初始控制点对应的最优设计变量值；优化模块3更改了整个优化的执行步骤，提高了模型优化的速度，提高了模型优化的质量。细化模块4，用于将最优设计变量值进行细化，以获取初始控制点对应的最优化显示控制点(如图12所示)；细化模块4中加入细化程序，使得模型的精确度提高，细化的倍数可以自己选择调整，模型的适用场合更多。细化模块4的作用是：下一步计算初始模型的位移，然后计算出初始模型的柔度，最后与最优化模型的柔度进行对比，体现算法的优越性。显示模块5，用于导入最优化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型平面结构的设计系统，其特征在于，包括：建模模块，以初始控制点为输入参数，用于生成初始模型；分析模块，用于求解所述初始模型的刚度矩阵和位移，并计算出设计变量的值；优化模块，以初始控制点、设计变量的值为输入参数，用于求解出目标函数的结果；之后对所述目标函数的结果迭代优化，获取初始控制点对应的最优设计变量值；细化模块，用于将最优设计变量值进行细化，以获取初始控制点对应的最优化显示控制点；显示模块，用于导入最优化显示控制点，以获取最优化模型的云图。

【技术特征摘要】
1.一种新型平面结构的设计系统，其特征在于，包括：建模模块，以初始控制点为输入参数，用于生成初始模型；分析模块，用于求解所述初始模型的刚度矩阵和位移，并计算出设计变量的值；优化模块，以初始控制点、设计变量的值为输入参数，用于求解出目标函数的结果；之后对所述目标函数的结果迭代优化，获取初始控制点对应的最优设计变量值；细化模块，用于将最优设计变量值进行细化，以获取初始控制点对应的最优化显示控制点；显示模块，用于导入最优化显示控制点，以获取最优化模型的云图。2.根据权利要求1所述的新型平面结构的设计系统，其特征在于，所述建模模块包括控制点存储子模块、模型生成子模块和目标函数导数计算子模块；所述控制点存储子模块用以存储所述初始控制点；所述模型生成子模块用于生成所述初始模型；所述目标函数导数计算子模块用于计算目标函数对所述设计变量的导数。3.根据权利要求1所述的新型平面结构的设计系统，其特征在于，所述分析模块包括刚度矩阵计算组装子模块和位移计算子模块；所述刚度矩阵计算组装子模块用以求解单元的刚度矩阵、组装单元及求解组装后的刚度矩阵；所述位移计算子模块，根据组装后的刚度矩阵，求解各个节点的位移。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，徐力，郝婵娟，何文彬，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31