一种考虑破损-安全的连续体应力与位移约束拓扑优化方法技术

本发明专利技术公开一种考虑破损‑安全的连续体应力与位移约束拓扑优化方法，根据连续体基结构建立有限元模型；确定破损区域大小和数目，选择各结构破损状况中结构总应变能最大的破损结构，给定重量约束求其最小应变能；输入初始破损区域中心坐标值和破损区域参数；输入应力与位移约束优化参数，形成考虑破损‑安全条件下的应力与位移约束优化模型；进行应力分析通过数值拟合的方法估算许用应变能；对包含破损工况的破损‑安全结构进行位移静力分析，建立位移约束显式表达式、连续数学优化列式，对最优拓扑构型进行反演处理，获得最优拓扑构型以及各结构破损状况的位移。本发明专利技术为静力学领域考虑破损‑安全的拓扑优化问题提供一个参考。

A topological optimization method of stress and displacement constraints for continuum considering damage safety

【技术实现步骤摘要】
一种考虑破损-安全的连续体应力与位移约束拓扑优化方法
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应力与位移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-安全的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑破损-安全的连续体应力与位移约束拓扑优化方法，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，材料属性等参数；/n第二步，确定破损区域大小和数目，选择各结构破损状况中结构总应变能最大的破损结构，然后给定重量约束求其最小应变能，将其作为单破损工况的许用应变能；/n第三步，首先输入破损工况数，并输入初始破损区域中心坐标值和破损区域参数，这样初始破损区域的位置和形状就完全确定；输入应力与位移约束优化参数，包括上一步求出的应变能约束值以及约束位移的大小、方向、力作用节点号、收敛精度、过滤半径，形成考虑破损-安全条件下的应...

【技术特征摘要】
1.一种考虑破损-安全的连续体应力与位移约束拓扑优化方法，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，材料属性等参数；
第二步，确定破损区域大小和数目，选择各结构破损状况中结构总应变能最大的破损结构，然后给定重量约束求其最小应变能，将其作为单破损工况的许用应变能；
第三步，首先输入破损工况数，并输入初始破损区域中心坐标值和破损区域参数，这样初始破损区域的位置和形状就完全确定；输入应力与位移约束优化参数，包括上一步求出的应变能约束值以及约束位移的大小、方向、力作用节点号、收敛精度、过滤半径，形成考虑破损-安全条件下的应力与位移约束优化模型；
第四步，对每一个结构破损状况进行应力分析，并提取每一个结构破损状况单元的应力分析结果，通过数值拟合的方法估算各结构破损状况的许用应变能，建立起应力全局化的约束不等式；
第五步，依次对结构破损状况进行位移静力分析，并提取相应结构破损状况单元的位移分析结果，获得位移约束的显式化表达式；
第六步，综合考虑破损结构的应力和位移约束，形成考虑破损-安全的以应力与位移为约束、结构重量最小为目标的近似连续数学优化列式；
第七步，采用数学规划算法，对近似连续数学优化列式进行求解；
第八步，选取阈值对拓扑变量反演，获得最优拓扑构型及对应结构破损状况的位移；
第九步，依次对反演后的最优拓扑构型进行结构破损，并对相应的结构破损状况进行应力分析。


2.根据权利要求1所述的一种考虑破损-安全的连续体应力与位移约束拓扑优化方法，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，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，设置应力分析和位移分析两种不同工况；最后，设定静力分析输出选项，应力分析工况输出单元应变能，位移分析工况输出单元节点力。


3.根据权利要求2所述的一种考虑破损-安全的连续体应力与位移约束拓扑优化方法，其特征在于，第二步具体为：
首先确定破损区域大小和数目，根据具体问题确定；选择各结构破损状况中结构总应变能最大的破损结构，输入对应破损区域中心坐标值，同时输入破损区域参数，这样相应包含破损区域的基结构就完全确定；然后给定重量约束求其最小应变能，将其作为单破损工况的许用应变能。


4.根据权利要求3所述的一种考虑破损-安全的连续体应力与位移约束拓扑优化方法，其特征在于，第三步具体为：
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，这样正方形的初始破损区域就确定下来；依据结构强度和刚度性能设计需求，输入应力和位移约束参数，包括上一步求出的应变能约束值以及约束位移的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜家政，孟凡伟，汤威，王哲，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11