一种基于分层法对功能梯度材料结构进行拓扑优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分层法对功能梯度材料结构进行拓扑优化方法，涉及功能梯度材料结构技术领域，具体为用成分分布函数描述功能梯度材料组分随空间的变化，通过功能梯度材料的成分分布函数求解材料内部各位置材料参数，通过软件的子程序接口进行功能梯度材料二次开发，建立一个仿真模型，通过二次开发子程序得到功能梯度材料结构只受到温度载荷情况下温度场的变化，再建立同一个功能梯度材料结构的仿真模型，通过软件自带的分层功能，导入之前所得温度场，以分层法思想近似模拟功能梯度材料的材料特性进行拓扑优化。材料的材料特性进行拓扑优化。材料的材料特性进行拓扑优化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分层法对功能梯度材料结构进行拓扑优化方法


[0001]本专利技术涉及功能梯度材料结构
，具体为在仿真软件中通过分层法近似模拟功能梯度材料特性，以实现软件中拓扑优化功能的研究方法。

技术介绍

[0002]功能梯度材料是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空工业等高
的需要，为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。
[0003]从材料的结构角度来看，功能梯度材料与均一材料、复合材料不同。它是选用两种(或多种)性能不同的材料，通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。
[0004]现有的功能梯度材料在软件中的实现通常利用ABAQUS的二次开发接口，例如UMAT子程序、UMATHT子程序,通过计算增量步中单元材料参数、单元应变的增量、单元应力的增量等，再经由FORTRAN语言的编写，使得功能梯度材料得以在软件中实现，但在ABAQUS的很多模块例如拓扑优化模块并未预留子程序接口，也就无法采用子程序二次开发的方法实现所需的分析。同时ABAQUS的优化模块不能采用温度位移耦合分析步及温度位移耦合单元，所以将温度有限元仿真分析步及优化分析步分两个模型进行。
[0005]为了在ABAQUS中未预留二次开发接口的部分能够应用功能梯度材料模型，例如ABAQUS中的优化模块，本项目采用在软件中将模型分层，根据功能梯度材料的幂次法计算每层的各项材料参数，将对应层数的材料参数赋予到各个分层，近似模拟功能梯度材料的理论分布，使得采用功能梯度材料的结构拓扑优化得以在软件中实现。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种在仿真软件中通过分层法模拟功能梯度材料特性，以实现功能梯度材料结构在软件中考虑热学载荷情况下的拓扑优化，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种在软件中近似模拟功能梯度材料的研究方法，具体为用成分分布函数描述功能梯度材料组分随空间的变化，通过功能梯度材料的成分分布函数求解材料内部各位置弹性模量和泊松比，导热系数和比热，通过软件的子程序接口进行功能梯度材料二次开发，得到结构在只承受热学载荷时不同时间的温度场，在新的模型导入所得温度场，通过软件自带的分层复合材料功能，以分层法思想近似模拟功能梯度材料的材料特性进行拓扑优化。
[0008]上述用成分分布函数描述功能梯度材料组分随空间的变化，以线弹性材料A和B组成的复合材料为例，随着厚度方向坐标逐渐增大，材料A所占体积分数逐渐降低，材料B所占体积分数逐渐增大，两种材料的力学参数不同，不同位置处的力学参数必然不同，功能梯度
[0026]同时，热力学材料参数，导热系数和比热按如下规则变化：
[0027][0028]C(y)＝c(y)C1+[1
‑
c(y)]C2[0029]根据功能梯度材料热力学材料参数变化的规则，利用FORTRAN语言编写UMAT及UMATHT子程序进行二次开发。
[0030]在ABAQUS中建立如下三维模型，分别由前缘条、蒙皮、舵体、外壳，其中舵体为Ti/Al2O3梯度材料。创建子程序材料属性并赋予舵体该材料，创建温度位移耦合分析步，为结构施加对应的约束及热学载荷，划分网格并指定单元类型，。提交作业，作业模块选定所编写的UMATHT子程序，提交作业，得到仿真结果文件，得到结构在当前热学载荷情况下，不同时间的温度场。
[0031]创建通用分析步，为结构施加对应的约束及力学载荷，为结构导入上述所得结果文件中的温度场，选定所需进行拓扑优化的增量步。划分网格并指定单元类型，作业模块选定所编写的UMAT子程序，提交作业，得到结构在未进行拓扑优化时应用UMAT二次开发的仿真结果。
[0032]创建相同的三维模型，在材料模块将舵体沿厚度方向均分为若干层，通过上述计算方式，按照材料手册所记载材料在不同温度时的材料参数，计算每层的弹性模量、泊松比、热导率、比热，创建对应的材料并赋予对应分层，每层的材料赋予完毕后，创建通用分析步，为结构施加对应的约束及力学载荷，为结构导入上述所得结果文件中的温度场，选定所需进行拓扑优化的增量步。划分网格并指定单元类型，提交作业，得到结构在未进行拓扑优化时分层法的仿真结果。根据选定不同层数时分层法结果与二次开发结果的对比，根据所需精度，选取合适的分层数。
[0033]在上一步的同一个模型中，创建一个拓扑优化任务，选定舵体为设计域，创建目标函数，选定整个模型应变能最小为目标函数，创建约束，选定舵体的保留体积百分比小于等于50％为约束，根据上一步所得未拓扑优化时的仿真结果，选定合适的模型的最大变形位移为约束。创建拓扑优化作业，选定最大优化循环为50，提交作业，得到对应温度场的结构拓扑优化结果。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分层法对功能梯度材料结构进行拓扑优化方法，其特征在于：包括通过将热学仿真与拓扑优化分成两个模型先后进行，以分层法思想近似模拟功能梯度材料的材料特性进行拓扑优化；用成分分布函数描述功能梯度材料组分随空间的变化，通过功能梯度材料的成分分布函数求解材料内部各位置弹性模量和泊松比，导热系数和比热，通过软件的子程序接口进行功能梯度材料二次开发，得到结构在只承受热学载荷时不同时间的温度场，在新的模型导入所得温度场，通过软件自带的分层复合材料功能，以分层法思想近似模拟功能梯度材料的材料特性进行拓扑优化。2.根据权利要求1所述的一种基于分层法对功能梯度材料结构进行拓扑优化方法，其特征在于：用成分分布函数描述功能梯度材料组分随空间的变化，以线弹性材料A和B组成的复合材料为例，随着厚度方向坐标逐渐增大，材料A所占体积分数逐渐降低，材料B所占体积分数逐渐增大，两种材料的力学参数不同，不同位置处的力学参数必然不同，功能梯度材料力学参数随研究点位置的变化而变化的根本原因材料力学参数是位置的函数。3.根据权利要求1所述的一种基于分层法对功能梯度材料结构进行拓扑优化方法，其特征在于：通过功能梯度材料的成分分布函数求解材料内部各位置弹性模量和泊松比，导热系数和比热，在将理想化功能梯度材料中，材料A与B集中表示，在不考虑A与B之间的相互作用时，功能梯度材料厚度方向的力学参数及热学参数为材料A与材料B的组合，此时功能...

【专利技术属性】
技术研发人员：易鑫，邵东，刘婧芳，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：