【技术实现步骤摘要】
一种考虑破损-安全的连续体频率约束拓扑优化设计方法
本专利技术属于工程结构设计
,尤其涉及考虑破损-安全条件下的连续体频率约束拓扑优化设计方法。
技术介绍
拓扑优化是在给定的外荷载和边界条件下,以材料分布为优化对象,寻求结构的最佳传力路径,该优化方法是伴随着有限元理论和计算机软件技术的高速发展逐渐发展起来的。与尺寸优化和形状优化相比,结构拓扑优化能确定的设计参数更多,能更显著的节省材料,取得更大的经济效益,同时能在结构设计的初始阶段为工程设计人员提供一个综合性的概念性设计,把最优方案应用在结构的布局上,对工程设计人员具有很大的吸引力。经过拓扑优化所得的传统拓扑结构通常是在外力作用下的最佳传力路径,材料的性能得到充分发挥,但是该最优构型倾向于静定结构,所带来的弊端就是结构缺少冗余,在这种情况下结构的局部破损很容易导致整体的破坏。在安全性要求较高如航天航空、船舶、高速列车、桥梁和超高建筑等领域,拓扑结构对局部破损的高度敏感性会使其经济效果有余而安全保障不足,在安全性较高的工程领域常被认为经济但缺乏安全保障,因此考虑破损-安全的扑优化受到重视。工程结构普遍需要考虑振动问题,结构在动力载荷下的响应同结构的固有频率及外载频率有关,极端情况下,当外载频率与结构的某阶固有频率非常接近时,结构会发生共振现象。因此在进行结构动力设计时,需要对结构的固有频率进行限制,例如火箭、导弹这类飞行器的设计对结构的固有频率就有严格的要求,所以对结构频率进行拓扑优化设计具有重要意义。本专利技术针对传统的连续体结构频率约 ...
【技术保护点】
1.一种考虑破损-安全的连续体频率约束拓扑优化设计方法,其特征在于,包括以下步骤:/n第一步,确定连续体结构的破损设计域和非破损设计域,并建立相应的有限元模型,设定边界条件,材料属性参数;/n第二步,输入破损工况数,并向有限元模型中输入初始破损区域中心坐标值,同时输入破损区域参数,这样就确定了初始破损区域的位置和形状;/n第三步,输入频率约束优化参数,包括约束基频的大小、收敛精度、过滤半径,形成考虑破损-安全条件下的频率约束优化模型;/n第四步,含有一个结构局部破损区域的基结构称为一个结构破损状况;从初始破损区域开始,根据破损工况数依次对结构进行破损,并对每一个结构破损状况进行模态分析,并提取每一个结构破损状况单元的模态分析结果,为建立显式优化方程提供结构单元的力学性能参数;/n第五步,形成考虑破损-安全的以频率为约束、结构重量最小为目标的近似连续数学优化列式;/n第六步,采用数学规划算法,对连续数学优化列式进行求解;/n第七步,对拓扑变量进行反演,获得最优拓扑构型及对应的基频。/n
【技术特征摘要】
1.一种考虑破损-安全的连续体频率约束拓扑优化设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,确定连续体结构的破损设计域和非破损设计域,并建立相应的有限元模型,设定边界条件,材料属性参数;
第二步,输入破损工况数,并向有限元模型中输入初始破损区域中心坐标值,同时输入破损区域参数,这样就确定了初始破损区域的位置和形状;
第三步,输入频率约束优化参数,包括约束基频的大小、收敛精度、过滤半径,形成考虑破损-安全条件下的频率约束优化模型;
第四步,含有一个结构局部破损区域的基结构称为一个结构破损状况;从初始破损区域开始,根据破损工况数依次对结构进行破损,并对每一个结构破损状况进行模态分析,并提取每一个结构破损状况单元的模态分析结果,为建立显式优化方程提供结构单元的力学性能参数;
第五步,形成考虑破损-安全的以频率为约束、结构重量最小为目标的近似连续数学优化列式;
第六步,采用数学规划算法,对连续数学优化列式进行求解;
第七步,对拓扑变量进行反演,获得最优拓扑构型及对应的基频。
2.根据权利要求1所述的一种考虑破损-安全的连续体频率约束拓扑优化设计方法,其特征在于,第一步具体为:
首先基于设计需求,确定所要优化连续体结构的最大设计边界,即确定基结构,并依据性能需求,确定破损设计域及非破损设计域;其次,基于MSC.Patran软件平台,建立基结构几何模型,并划分有限元网格;最后定义材料,赋予单元属性,施加边界条件;最后,设定模态分析输出选项。
3.根据权利要求2所述的一种考虑破损-安全的连续体频率约束拓扑优化设计方法,其特征在于,第二步具体为:
在基于MSC.Patran软件内置语言PCL编写的主程序内,首先设置破损工况数,破损工况数根据实际问题确定;然后输入初始破损区域中心二维坐标值;然后输入破损区域参数:损伤区对角线一半的平方、损伤区边长一半的平方,确定正方形的初始破损区域。
4.根据权利要求3所述的一种考虑破损-安全的连续体频率约束拓扑优化设计方法,其特征在于,第三步具体为:
依据结构固有频率性能设计需求,输入约束参数,包括约束基频大小、收敛...
【专利技术属性】
技术研发人员:杜家政,孟凡伟,汤威,张颖,
申请(专利权)人:北京工业大学,
类型:发明
国别省市:北京;11
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