一种动态多分区功能梯度点阵结构优化方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种动态多分区功能梯度点阵结构优化方法及系统，该方法包括：获取待优化结构的连续变化的微结构库；获取微结构库的等效性质矩阵，等效性质矩阵中各元素表示各等效性质与结构变量的变化曲线；将待优化结构的设计域离散为有限元模型；根据各单元的当前结构变量值和当前转角变量值确定有限元模型的位移场；根据位移场和设定分区准则对有限元模型进行分区；将第i个分区内各单元的当前结构变量值调整为第i个分区内所有单元的平均结构变量值；以结构柔顺性作为优化目标，调整各单元的当前结构变量值和当前转角变量值，直到满足收敛条件，输出各单元的当前结构变量值和当前转角变量值。本发明专利技术提高了结构优化性能。本发明专利技术提高了结构优化性能。本发明专利技术提高了结构优化性能。

【技术实现步骤摘要】
一种动态多分区功能梯度点阵结构优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及结构优化
，特别是涉及一种动态多分区功能梯度点阵 结构优化方法及系统。

技术介绍

[0002]现有的对具有多种微结构的点阵结构的分区优化设计方法一般可以分为 两类：第一类是在预先分区下进行结构优化设计，对微结构进行优化设计，该 方法的缺点是无法考虑宏观分区的变化；第二类是指定微结构，通过微结构自 身性质差异，实现宏观结构的自动分区，该方法的缺点是无法考虑微结构的变 化。另外，在实际设计过程中往往会引入很多设计准则，上述两种方法均难以 根据设计准则进行材料分区筛选。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种动态多分区功能梯度点阵结构优化方法及系统， 提高了结构优化性能。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]一种动态多分区功能梯度点阵结构优化方法，包括：
[0006]获取待优化结构的连续变化的微结构库；
[0007]获取所述微结构库的等效性质矩阵，所述等效性质矩阵中各元素表示各等 效性质与结构变量的变化曲线；
[0008]将所述待优化结构的设计域离散为有限元模型，为所述有限元模型中各单 元初始化结构变量值和转角变量值；
[0009]根据各单元的当前结构变量值和当前转角变量值确定所述有限元模型的 位移场；
[0010]根据所述位移场和设定分区准则对所述有限元模型进行分区；
[0011]将第i个分区内各单元的当前结构变量值调整为第i个分区内所有单元的 平均结构变量值；
[0012]以结构柔顺性作为优化目标，以总材料用量约束、相邻分区之间的结构变 量值的距离约束和各单元的转角变量值的界限约束调整各单元的当前结构变 量值和当前转角变量值；
[0013]判断所述结构柔顺性是否满足收敛条件；
[0014]若不满足收敛条件，则返回步骤“根据各单元的当前结构变量值和当前转 角变量值确定所述有限元模型的位移场”；
[0015]若满足收敛条件，则输出各单元的当前结构变量值和当前转角变量值。
[0016]可选地，所述结构变量包括体分比。
[0017]可选地，所述根据各单元的当前结构变量值和当前转角变量值确定所述有 限元模型的位移场，具体包括：
[0018]根据各单元的当前结构变量值和当前转角变量值计算各单元的等效刚度 矩阵；
[0019]根据各单元的所述等效刚度矩阵计算各单元的组集单元刚度矩阵；
[0020]根据各单元的所述组集单元刚度矩阵计算结构总刚度矩阵；
[0021]根据所述结构总刚度矩阵确定所述有限元模型的位移场。
[0022]可选地，所述根据所述位移场和设定分区准则对所述有限元模型进行分 区，具体包括：
[0023]根据所述位移场以单元应变能为分区条件将所述有限元模型分为多个分 区，或者根据所述位移场以单元Mises应力为分区条件将所述有限元模型分为 多个分区。
[0024]可选地，所述以结构柔顺性作为优化目标，以总材料用量约束、相邻分区 之间的结构变量值的距离约束和各单元的转角变量值的界限约束调整各单元 的当前结构变量值和当前转角变量值的优化目标函数表示为：
[0025]minimize C＝U
′
T
K
′
U
′
[0026]s.t.K
′
U
′
＝F
[0027][0028]P
i
≤P
i+1
‑
ΔP(i＝1,2,
…
,N
‑
1)
[0029]0≤p
′
e
≤1,θ
min
≤θ
e
≤θ
max
(e＝1,2,
…
,n
e
)
[0030]其中，C表示结构柔顺性，U
’
表示位移场，K
’
表示组集结构总刚度矩阵， F表示外载荷向量，n
e
表示单元的数量，p
′
e
表示第e个单元的结构变量值，v
*
表示所述总材料用量，P
i
表示第i个分区的结构变量值，P
i+1
表示第i+1个分 区的结构变量值，ΔP表示所述相邻分区之间的结构变量值的距离约束，θ
e
表 示第e个单元的转角变量值，θ
min
表示转角变量最小值，θ
max
表示转角变量最 大值，N表示分区的数目。
[0031]本专利技术还公开了一种动态多分区功能梯度点阵结构优化系统，包括：
[0032]微结构库获取模块，用于获取待优化结构的连续变化的微结构库；
[0033]等效性质矩阵获取模块，用于获取所述微结构库的等效性质矩阵，所述等 效性质矩阵中各元素表示各等效性质与结构变量的变化曲线；
[0034]有限元模型确定模块，用于将所述待优化结构的设计域离散为有限元模 型，为所述有限元模型中各单元初始化结构变量值和转角变量值；
[0035]位移场确定模块，用于根据各单元的当前结构变量值和当前转角变量值确 定所述有限元模型的位移场；
[0036]分区模块，用于根据所述位移场和设定分区准则对所述有限元模型进行分 区；
[0037]结构变量值分区调整模块，用于将第i个分区内各单元的当前结构变量值 调整为第i个分区内所有单元的平均结构变量值；
[0038]结构柔顺性优化模块，用于以结构柔顺性作为优化目标，以总材料用量约 束、相邻分区之间的结构变量值的距离约束和各单元的转角变量值的界限约束 调整各单元的当前结构变量值和当前转角变量值；
[0039]判断模块，用于判断所述结构柔顺性是否满足收敛条件；
[0040]返回模块，用于若不满足收敛条件，则返回位移场确定模块；
[0041]输出模块，用于若满足收敛条件，则输出各单元的当前结构变量值和当前 转角变
量值。
[0042]可选地，所述结构变量包括体分比。
[0043]可选地，所述位移场确定模块，具体包括：
[0044]等效刚度矩阵计算子模块，用于根据各单元的当前结构变量值和当前转角 变量值计算各单元的等效刚度矩阵；
[0045]组集单元刚度矩阵子模块，用于根据各单元的所述等效刚度矩阵计算各单 元的组集单元刚度矩阵；
[0046]结构总刚度矩阵子模块，用于根据各单元的所述组集单元刚度矩阵计算结 构总刚度矩阵；
[0047]位移场子模块，用于根据所述结构总刚度矩阵确定所述有限元模型的位移 场。
[0048]可选地，所述分区模块，具体包括：
[0049]分区子模块，用于根据所述位移场以单元应变能为分区条件将所述有限元 模型分为多个分区，或者根据所述位移场本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动态多分区功能梯度点阵结构优化方法，其特征在于，包括：获取待优化结构的连续变化的微结构库；获取所述微结构库的等效性质矩阵，所述等效性质矩阵中各元素表示各等效性质与结构变量的变化曲线；将所述待优化结构的设计域离散为有限元模型，为所述有限元模型中各单元初始化结构变量值和转角变量值；根据各单元的当前结构变量值和当前转角变量值确定所述有限元模型的位移场；根据所述位移场和设定分区准则对所述有限元模型进行分区；将第i个分区内各单元的当前结构变量值调整为第i个分区内所有单元的平均结构变量值；以结构柔顺性作为优化目标，以总材料用量约束、相邻分区之间的结构变量值的距离约束和各单元的转角变量值的界限约束调整各单元的当前结构变量值和当前转角变量值；判断所述结构柔顺性是否满足收敛条件；若不满足收敛条件，则返回步骤“根据各单元的当前结构变量值和当前转角变量值确定所述有限元模型的位移场”；若满足收敛条件，则输出各单元的当前结构变量值和当前转角变量值。2.根据权利要求1所述的动态多分区功能梯度点阵结构优化方法，其特征在于，所述结构变量包括体分比。3.根据权利要求1所述的动态多分区功能梯度点阵结构优化方法，其特征在于，所述根据各单元的当前结构变量值和当前转角变量值确定所述有限元模型的位移场，具体包括：根据各单元的当前结构变量值和当前转角变量值计算各单元的等效刚度矩阵；根据各单元的所述等效刚度矩阵计算各单元的组集单元刚度矩阵；根据各单元的所述组集单元刚度矩阵计算结构总刚度矩阵；根据所述结构总刚度矩阵确定所述有限元模型的位移场。4.根据权利要求1所述的动态多分区功能梯度点阵结构优化方法，其特征在于，所述根据所述位移场和设定分区准则对所述有限元模型进行分区，具体包括：根据所述位移场以单元应变能为分区条件将所述有限元模型分为多个分区，或者根据所述位移场以单元Mises应力为分区条件将所述有限元模型分为多个分区。5.根据权利要求1所述的动态多分区功能梯度点阵结构优化方法，其特征在于，所述以结构柔顺性作为优化目标，以总材料用量约束、相邻分区之间的结构变量值的距离约束和各单元的转角变量值的界限约束调整各单元的当前结构变量值和当前转角变量值的优化目标函数表示为：minimize C＝U
′
T
K
′
U
′
s.t.K
′
U
′
＝FP
i
≤P
i+1
‑
ΔP(i＝1,2,
…
,N
‑
1)0≤p
ei
′
≤1,θ
min
≤θ
e
≤θ
max
(e＝1,2,
…
,n
e
)其中，C表示结构柔顺性，U
’
表示位移场，K
’
表示组集结构总刚度矩阵，F表示外载荷向
量，n
e
表示单元的数量，p
e
′
表示第e个单元的结构变量值，v
*
表示所述总材料用量，P
i
表示第i个分区的结构变量值，P
i+1
表示第i+1个分区的结构变量值，ΔP表示所述相邻分区之间的结构变量值的距离约束，θ
e
表示第e个单元的转角变量值，θ
min
表示转角变量最小值，θ
max
表示转角变量最大值，N表示分区的数目。6.一种动态多分区功...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐亮，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：