基于生物胞元的机械结构仿生拓扑设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于生物胞元的机械结构仿生拓扑设计方法。将子结构技术与结构仿生设计相结合，提取表征生物高效承载性能的空间拓扑构型子结构即生物胞元，基于子结构方法以生物胞元进行机械承载件中筋、肋、框等加强结构的仿生拓扑设计，借助生物高效承载拓扑构型实现机械承载件高比刚度结构仿生拓扑设计。并且，该方法针对不同生物的高效承载优势性能的集成问题，提出了基于TRIZ创新原理的生物混合胞元建模，实现了面向不同生物高效承载空间拓扑结构集成的结构仿生拓扑设计。扑结构集成的结构仿生拓扑设计。扑结构集成的结构仿生拓扑设计。

【技术实现步骤摘要】
基于生物胞元的机械结构仿生拓扑设计方法


[0001]本专利技术涉及机械结构设计领域，具体涉及一种基于生物胞元的机械结构仿生拓扑设计方法。

技术介绍

[0002]在机械承载件结构中，加强筋、加强肋、加强板等结构是其重要的组成部分。通过对加强筋/肋/板的拓扑形式与空间拓扑布局设计，来确定机械承载件结构，是机械承载件结构设计中常用的方法。这些加强筋/肋/板不仅具有较低的结构重量，同时能有效改善机械承载件结构的承载、振动等性能。
[0003]机械承载件尤其是大型承载件中，这些加强板、筋、框、肋等结构多以重复的子结构形式出现，与承载件非主要承力结构(如外框架等)一起构成承载件整体结构。子结构技术在相关领域的研究可以大致包括：基于子结构技术的整体性能快速计算与预测；基于子结构的系统整体快速优化；基于子结构的整体机械结构设计。
[0004]目前相关子结构技术的研究中，基于子结构方法的大型复杂机械结构的高效高精度性能预测、计算及结构优化等研究更多的被关注，而基于子结构的整体机械结构设计研究则关注较少，且现有的基于子结构的整体机械结构设计多采用传统的子结构设计方法，即子结构设计多依赖于设计者经验实现，易导致结构设计并非最优等问题。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种基于生物胞元的机械结构仿生拓扑设计方法，能够实现机械承载件高比刚度结构仿生拓扑设计，且实现了面向不同生物高效承载空间拓扑结构集成的结构仿生拓扑设计。
[0006]技术方案：一种基于生物胞元的机械结构仿生拓扑设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007](1)针对待设计的机械结构，根据机械结构的结构、功能、受载、约束特点，通过仿生学原理，基于结构相似性、功能相似性、边界(受载和约束)相似性，初步选择生物胞元；
[0008](2)从相似目标层，相似要素层，相似特征层，对初步选择的生物胞元和机械设计结构进行相似度量化评定；
[0009](3)如果所述相似度低于预设相似度阈值，则重复步骤(1)和(2)，直到选择的生物胞元与机械设计结构之间的相似度高于预设相似度阈值，则所选择的生物胞元为最终确定的合适的生物胞元；所述预设相似度阈值不低于0.7，即当相似度计算值大于70％的时候认为两者相似度较高。
[0010](4)根据仿生学原理，对生物胞元的组成结构及特征进行分析，并采用物元矩阵表征提取生物胞元；
[0011](5)对生物胞元的基本组成特征进行权重影响性分析，去除其中权重影响低于预设权重影响阈值的基本组成特征，实现对生物胞元的特征简化；所述预设权重影响阈值不
高于0.1，即当基本组成特征的权重影响低于10％的时候，则可将该基本组成特征去除；
[0012](6)通过映射建模，构建基于简化后胞元物元矩阵的胞元结构模型，且基于胞元物元矩阵确定胞元结构模型的确定性结构模型及其待优化的结构设计变量；
[0013](7)根据步骤(6)中的结构设计变量，基于结构优化方法，对所述胞元结构模型进行优化；
[0014](8)基于子结构的整体机械结构设计方法，以胞元结构模型为机械子结构的拓扑结构，对待设计的机械结构进行仿生设计；
[0015](9)此时，若基于单个胞元的仿生拓扑设计性能满足要求，则结束；反之，若基于单个胞元的仿生拓扑设计无法满足设计性能要求时，进行步骤(10)；
[0016](10)引入新的胞元并且与原胞元杂交得到混合胞元；
[0017]重复步骤(7)和步骤(8)，实现基于混合胞元的机械结构仿生设计；重复步骤(9)，若混合胞元的仿生拓扑设计性能满足要求，则结束；否则，重复步骤(10)，再次引入新的胞元与原混合胞元杂交得到新的混合胞元，并重复步骤(7)和步骤(8)，实现基于新的混合胞元的机械结构仿生设计，直到仿生拓扑设计的性能满足要求。
[0018]进一步的，步骤(2)具体包括如下内容：
[0019](2.1)将初步选择的生物胞元和机械设计结构之间的相似度评定自顶向下分为三层：相似目标层，相似要素层，相似特征层；
[0020](2.2)构建相似目标层和相似元素层的关系：
[0021]相似目标层为生物胞元与待设计机械结构之间的相似度S的最终评价，其与相似元素层各元素o之间存在加权和的关系，即：
[0022][0023]式中，s
i
(o
i
)为生物胞元与机械设计结构之间的第i个相似要素o
i
的相似度；ω
si
为第i个相似要素o
i
的权重系数，0≤ω
si
≤1且I是生物胞元与机械设计结构之间的所有的相似要素o
i
的总个数；
[0024](2.3)构建相似元素层和相似特征层的关系：
[0025]相似要素层的各要素o含有不同的相似特征p，各要素与其所含特征之间同样存在着加权和的关系，即：
[0026][0027]式中，ω
pij
为第i个相似要素o
i
内所含的第j个相似特征p
ij
的权重系数，0≤ω
pij
≤1且s
pij
(p
ij
)为第i个相似要素o
i
内所含的第j个相似特征p
ij
的相似度；J是生物胞元与机械设计结构之间的第i个相似要素o
i
内所有的相似特征p
ij
的总个数；
[0028](2.4)采用数值对相似特征p
ij
的相似度s
pij
(p
ij
)量化：
[0029]按照相似强烈程度从高到低，将相似特征p
ij
的相似度s
pij
(p
ij
)依次划分为极其相似、较相似、相似、略相似、不相似，并且以对应的量化数值u表征相似强烈度：
[0030]u＝{0.9，0.7，0.5，0.3，0.1}＝{极其相似，较相似，相似，略相似，不相似}；
[0031](2.5)计算生物胞元与机械设计结构之间的整体相似度：
[0032]将(2.3)中的式代入(2.2)中的式并综合(2.4)中的s
pij
(p
ij
)量化值，得到相似目标层内生物胞元和机械结构之间的整体相似度为
[0033]s
pj
(p
ij
)＝0.9，0.7，0.5，0.3或0.1。
[0034]进一步的，步骤(4)具体包括如下内容：
[0035](4.1)在确定了合适的生物胞元的基础上，根据仿生学原理，对生物胞元的组成结构及特征进行分析，确定生物胞元的各部分组成、各部分组成所对应的特征、以及各部分组成所对应的特征指标；
[0036](4.2)采用物元矩阵表征提取生物胞元：
[0037]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于生物胞元的机械结构仿生拓扑设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)针对待设计的机械结构，根据机械结构的结构、功能、受载、约束特点，通过仿生学原理，基于结构相似性、功能相似性、边界相似性，初步选择生物胞元；所述边界相似性包括受载相似性和约束相似性；(2)从相似目标层，相似要素层，相似特征层，对初步选择的生物胞元和机械设计结构进行相似度量化评定；(3)如果所述相似度低于预设相似度阈值，则重复步骤(1)和(2)，直到选择的生物胞元与机械设计结构之间的相似度高于预设相似度阈值，则所选择的生物胞元为最终确定的合适的生物胞元；所述预设相似度阈值不低于0.7；(4)根据仿生学原理，对生物胞元的组成结构及特征进行分析，并采用物元矩阵表征提取生物胞元；(5)对生物胞元的基本组成特征进行权重影响性分析，去除其中权重影响低于预设权重影响阈值的基本组成特征，实现对生物胞元的特征简化；所述预设权重影响阈值不高于0.1；(6)通过映射建模，构建基于简化后胞元物元矩阵的胞元结构模型，且基于胞元物元矩阵确定胞元结构模型的确定性结构模型及其待优化的结构设计变量；(7)根据步骤(6)中的结构设计变量，基于结构优化方法，对所述胞元结构模型进行优化；(8)基于子结构的整体机械结构设计方法，以胞元结构模型为机械子结构的拓扑结构，对待设计的机械结构进行仿生设计；(9)此时，若基于单个胞元的仿生拓扑设计性能满足要求，则结束；反之，若基于单个胞元的仿生拓扑设计无法满足设计性能要求时，进行步骤(10)；(10)引入新的胞元并且与原胞元杂交得到混合胞元；重复步骤(7)和步骤(8)，实现基于混合胞元的机械结构仿生设计；重复步骤(9)，若混合胞元的仿生拓扑设计性能满足要求，则结束；否则，重复步骤(10)，再次引入新的胞元与原混合胞元杂交得到新的混合胞元，并重复步骤(7)和步骤(8)，实现基于新的混合胞元的机械结构仿生设计，直到仿生拓扑设计的性能满足要求。2.根据权利要求1所述的基于生物胞元的机械结构仿生拓扑设计方法，其特征在于，步骤(2)具体包括如下内容：(2.1)将初步选择的生物胞元和机械设计结构之间的相似度评定自顶向下分为三层：相似目标层，相似要素层，相似特征层；(2.2)构建相似目标层和相似元素层的关系：相似目标层为生物胞元与待设计机械结构之间的相似度S的最终评价，其与相似元素层各元素o之间存在加权和的关系，即：式中，s
i
(o
i
)为生物胞元与机械设计结构之间的第i个相似要素o
i
的相似度；ω
si
为第i
个相似要素o
i
的权重系数，0≤ω
si
≤1且I是生物胞元与机械设计结构之间的所有的相似要素o
i
的总个数；(2.3)构建相似元素层和相似特征层的关系：相似要素层的各要素o含有不同的相似特征p，各要素与其所含特征之间同样存在着加权和的关系，即：式中，ω
pij
为第i个相似要素o
i
内所含的第j个相似特征p
ij
的权重系数，0≤ω
pij
≤1且s
pij
(p
ij
)为第i个相似要素o
i
内所含的第j个相似特征p
ij
的相似度；J是生物胞元与机械设计结构之间的第i个相似要素o
i
内所有的相似特征p
ij
的总个数；(2.4)采用数值对相似特征p
ij
的相似度s
pij
(p
ij
)量化：按照相似强烈程度从高到低，将相似特征p
ij
的相似度s
pij
(p
ij
)依次划分为极其相似、较相似、相似、略相似、不相似，并且以对应的量化数值u表征相似强烈度：u＝{0.9，0.7，0.5，0.3，0.1}＝{极其相似，较相似，相似，略相似，不相似}；(2.5)计算生物胞元与机械设计结构之间的整体相似度：将(2.3)中的式代入(2.2)中的式并综合(2.4)中的s
pij
(p
ij
)量化值，得到相似目标层内生物胞元和机械结构之间的整体相似度为s
pj
(p
ij
)＝0.9，0.7，0.5，0.3或0.1。3.根据权利要求1所述的基于生物胞元的机械结构仿生拓扑设计方法，其特征在于，步骤(4)具体包括如下内容：(4.1)在确定了合适的生物胞元的基础上，根据仿生学原理，对生物胞元的组成结构及特征进行分析，确定生物胞元的各部分组成、各部分组成所对应的特征、以及各部分组成所对应的特征指标；(4.2)采用物元矩阵表征提取生物胞元：根据可拓学...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨勇，姜学涛，朱其新，蒋全胜，曹自洋，卢金斌，彭璇，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：