一种面向大规模结构的拓扑优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种面向大规模结构的拓扑优化设计方法，包括：根据结构设计所要达到的目标性能以及结构边界条件，建立结构拓扑优化模型；选择拓扑优化方法，确定目标函数敏度计算，并在MATLAB算法基础上选择有限元分析软件；选择优化算法，设置收敛条件；在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第一次数据传递，在MATLAB算法程序中获得单元刚度矩阵；进行第二次数据传递，在MATLAB算法程序中获得有限元分析后的结构位移场和温度场；在迭代中计算目标函数值，更新设计变量，判断是否满足收敛条件。本发明专利技术方法实现了快速、准确的优化设计，提高了设计效率。了设计效率。了设计效率。

【技术实现步骤摘要】
一种面向大规模结构的拓扑优化设计方法


[0001]本专利技术属于结构设计领域，具体涉及面向大规模的基于拓扑优化的结构设计方法，可用于指导大规模结构的高精度优化设计。

技术介绍

[0002]拓扑优化方法融合了数学、计算机力学、计算机科学等工程学科，使用拓扑优化方法可以打破思维的局限性，为新型结构的设计提供了新的思路，是现代设计方法的重要组成部分。近年来，随着技术发展，拓扑优化设计的实现有两种方法，一种是通过程序编程来实现，另一种是使用专业软件中的优化功能实现。但两种方式都存在一定的局限性。O.Sigmund基于变密度法提出经典的99行拓扑优化程序，使设计域的拓扑优化设计可以通过运行MATLAB程序实现。在该程序的基础上加以拓展，可实现多学科拓扑优化设计。但在运行中发现，随着设计域网格数增多，设计域规模增大，程序运行速度逐渐变缓，实现优化设计所需时间变长。通过专业软件如ANSYS、COMSOL等可进行拓扑优化设计，专业软件对单一学科的分析具有结果精确的优势，但无法对多学科进行综合分析，或多学科分析受到限制。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种面向大规模结构的高精度拓扑优化设计方法，该方法将拓扑优化算法程序与专业软件的优势结合，对指导大规模结构的精确设计有重要意义。
[0004]本专利技术是通过下述技术方案来实现的。
[0005]本专利技术提供了一种面向大规模结构的拓扑优化设计方法，包括如下步骤：
[0006](1)根据结构设计所要达到的目标性能以及结构边界条件，建立结构拓扑优化模型；
[0007](2)根据拓扑优化数学模型，选择拓扑优化方法，确定目标函数敏度计算，并在MATLAB算法基础上选择有限元分析软件，以实现优化算法中有限元分析步骤；
[0008](3)根据拓扑优化数学模型的具体约束条件，选择适合的优化算法，设置收敛条件；
[0009](4)根据面向精确分析的拓扑优化方法，在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第一次数据传递，在MATLAB算法程序中获得单元刚度矩阵；
[0010](5)在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第二次数据传递，在MATLAB算法程序中获得有限元分析后的结构位移场和温度场；
[0011](6)根据刚度矩阵、结构位移场和温度场数据，在本次迭代中计算目标函数值，更新设计变量，判断是否满足收敛条件，若不满足，重复(5)
‑
(6)；若满足，则输出拓扑优化设计结果。
[0012]步骤(2)中，拓扑优化方法选择变密度法，目标函数敏度计算选择伴随法，有限元分析软件选择ANSYS。
[0013]当设计变量数较少，约束和目标函数较多时，敏度计算选择直接微分法；当设计变量数较多，约束和目标函数较少时，敏度计算选择伴随法。
[0014]步骤(3)中，优化算法选择移动渐进线方法MMA，设置收敛条件为优化前后设计变量差的绝对值不小于阈值ε。
[0015]步骤(4)中，在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第一次数据传递，步骤为：
[0016](4a)MATLAB中基于APDL语言命令语句，调用ANSYS软件后台运行，对结构单元进行分析，得到单元刚度矩阵以Harwell
‑
Boeing文件格式输出；
[0017](4b)在MATLAB中通过函数调用ANSYS批处理BATCH模式，ANSYS的批处理模式基于APDL语言在后台对结构单元刚度进行分析；
[0018](4c)ANSYS分析结束后，以Harwell
‑
Boeing格式输出单元刚度矩阵；
[0019](4d)在MATLAB中以特定程序读入单元刚度矩阵。
[0020]针对单元刚度矩阵，在MATLAB中读入数据流程步骤为：
[0021]4d1)检查读入文件是否存在，根据MATLAB中的读入函数的返回值进行判断；返回值为
‑
1时，表明HBFILE文档不存在，对有限元分析模块中APDL程序进行检查改正，使文档正确输出；
[0022]4d2)读取文档内容，包括读取数据结构、格式，分析矩阵结构，读取矩阵行、列指针；读取矩阵数据；
[0023]4d3)结合前两步中读取的指针数据和矩阵数值，使用MATLAB中sparse函数组成单元刚度矩阵。
[0024]步骤(5)中，在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第二次数据传递，步骤为：
[0025](5a)根据所建立的拓扑优化分析模型，选择双线性矩阵单元对设计域进行网格剖分；
[0026](5b)在MATLAB算法程序中以矩阵形式输出网格单元总数、惩罚因子以及单元相对密度；
[0027](5c)使用APDL程序进行有限元分析，采用*VREAD命令读取网格数nelx
×
nely，惩罚因子panal以及设计变量xold的数据；
[0028](5d)结束有限元分析后，在MATLAB算法程序中对设计域进行有限元分析后得到的结构位移场、应力场以及温度场数据进行读取，随后进行目标函数与设计变量更新计算。
[0029]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
[0030]1.本专利技术的方法相较于传统的基于MATLAB的算法程序，对于大规模设计模型具有快速、准确的设计特点。传统的算法程序中，由于将设计域离散成单元网格进行有限元分析，对具有大规模网格数的结构进行设计所需的时间较长，本专利技术的方法使用专业有限元分析软件对结构进行有限元分析，实现了快速、准确的优化设计，提高了设计时间。
[0031]2.本专利技术的方法可针对多学科目标进行拓扑优化设计。在工程应用中，只需要对与结构设计变相关的各场间的相互影响关系进行分析，再次基础上建立拓扑优化数学模型，根据具体条件明确敏度求解方式和优化算法，适当更改面向精确分析的拓扑优化方法中MATLAB与有限元分析软件中的网格数据与设计参数，即可进行拓扑优化设计。
附图说明
[0032]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：
[0033]图1是本专利技术一种面向大规模结构的高精度拓扑优化设计方法的流程图；
[0034]图2是刚度矩阵文件解释性抬头示意图；
[0035]图3是刚度矩阵文件读取流程示意图；
[0036]图4是拓扑优化几何模型的示意图；
[0037]图5是拓扑优化所得结构示意图。
具体实施方式
[0038]下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本专利技术，在此本专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。
[0039]参照图1，本专利技术面向大规模结构的高精度拓扑优化设计方法，步骤如下：
[0040]步骤1，建立拓扑优化模型
[0041]以结构性能S为目标函数建立拓扑优化数学模型如下：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向大规模结构的拓扑优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据结构设计所要达到的目标性能以及结构边界条件，建立结构拓扑优化模型；(2)根据拓扑优化数学模型，选择拓扑优化方法，确定目标函数敏度计算，并在MATLAB算法基础上选择有限元分析软件，以实现优化算法中有限元分析步骤；(3)根据拓扑优化数学模型的具体约束条件，选择适合的优化算法，设置收敛条件；(4)根据面向精确分析的拓扑优化方法，在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第一次数据传递，在MATLAB算法程序中获得单元刚度矩阵；(5)在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第二次数据传递，在MATLAB算法程序中获得有限元分析后的结构位移场和温度场；(6)根据刚度矩阵、结构位移场和温度场数据，在本次迭代中计算目标函数值，更新设计变量，判断是否满足收敛条件，若不满足，重复(5)
‑
(6)；若满足，则输出拓扑优化设计结果。2.根据权利要求1所述的面向大规模结构的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤(1)中，以结构性能S为目标函数，根据力学约束条件建立拓扑优化数学模型如下：find x
i
＝{i＝1,...,N}min S(x,U,F)s.t.K(x)U＝F(x)＝F
m
+G其中，结构性能S与相对单元密度、结构位移场及载荷相关，K为结构整体刚度矩阵，U为结构位移，F为整体结构所受全部载荷，F
m
为结构所受外载荷，G表示结构自重，f是体积分数，V是体积约束函数，V0是结构初始体积，x整体结构相对单元密度，x
i
是单元i的相对单元密度，v
i
是单元i的体积，x
min
是设计变量的下限，N为网格单元个数。3.根据权利要求1所述的面向大规模结构的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，拓扑优化方法选择变密度法，目标函数敏度计算选择伴随法，有限元分析软件选择ANSYS。4.根据权利要求3所述的面向大规模结构的拓扑优化设计方法，其特征在于，当设计变量数较少，约束和目标函数较多时，目标函数敏度计算选择直接微分法；当设计变量数较多，约束和目标函数较少时，目标函数敏度计算选择伴随法。5.根据权利要求1所述的面向大规模结构的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，目标函数的敏度计算式...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，李超凡，王从思，王长庆，李鹏，王小辉，宋立伟，陈春燕，田锡威，连少凡，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：