一种基于多维等效动态载荷理论的走行桥架结构拓扑优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多维等效动态载荷理论的走行桥架结构拓扑优化方法，包括：采用动力学分析方法确定待优化机构在实际动态连续工况下的受力情况；获得待优化机构在连续工况下某一段时间载荷位置不发生改变的关键受力段，根据待优化机构特性锚定等效过程分析步的单元时间；以待优化机构关键部件非线性有限元模型的每个单元的相对密度为设计变量，利用变密度法对每个等效工况的有限元分析结果进行拓扑优化；结合系统等效系数Q

【技术实现步骤摘要】
一种基于多维等效动态载荷理论的走行桥架结构拓扑优化方法


[0001]本专利技术涉及走行桥架结构
，尤其涉及一种基于多维等效动态载荷理论的走行桥架结构拓扑优化方法。

技术介绍

[0002]拓扑优化作为一种对连续体结构在工程设计初始阶段进行优化并以此提供设计辅助的典型方法，已在各个细分领域获得大量应用，以应用最为广泛的材料插值模型变密度法为例，其关键理念在于将各类部件结构的优化转化为部件内部材料的重新分布，以有限元分析为基础，将部件的每个有限元单元的相对密度作为设计变量，而部件在实际工况下的柔度，位移场或应力场则可定义为设计目标函数或设计约束，这种工况可以是单一的，也可以有多个。
[0003]目前拓扑优化方法主要用于解决静态工况下的工程技术问题，而对于动态系统的优化问题，Park等人提出的ESL法的基本思想是将一系列静态载荷施加到工程模型上进行线性静态分析，使其产生与动态分析相同的位移场，保证用于后续优化的线性静态工况模型与动态工况模型的等价性，但该方法多应用于尺寸优化和形状优化，在拓扑优化领域应用该方法得到的离散时间点等效静态工况分析模型往往是位移场最大值等价时间点，而实际的动态系统优化问题要考虑的不仅仅是位移场，还应有应力场及工况作用时长的影响。目前现有技术中对于桥架结构的分析存在如下缺陷：走行桥架结构的优化往往以静刚度单一工况分析为基础，缺乏对于其在动态连续工况下的整体优化分析过程，桥架结构的优化往往以尺寸优化和形貌优化为主，以拓扑优化为主要优化方法的走行桥架结构非常少见。

技术实现思路
/>[0004]根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种基于多维等效动态载荷理论的走行桥架结构拓扑优化方法，具体包括如下步骤：
[0005]建立含有运动学自由度的待优化机构的非线性有限元模型，采用动力学分析方法确定待优化机构在实际动态连续工况下的受力情况；
[0006]获得待优化机构在连续工况下某一段时间载荷位置不发生改变的关键受力段，根据待优化机构特性锚定等效过程分析步的单元时间；
[0007]基于单元时间，将待优化机构所受的动态连续工况转化为多个单元工况；
[0008]对工况序号进行判断，若i＝N
max
，则跳过该步骤进行后续计算，若i不等于N
max
，更新工况序号i＝i+1，对该工况序号下的有限元进行分析，当到达关键受力段时间域时，将该时域内所有单元工况进行合并，以合并后的工况作为研究对象进行有限元分析；
[0009]根据待优化机构关键部件的材质特性，对所有等效工况从应力、位移和时域三个维度进行等效化处理；
[0010]控制不同的受力段在待优化机构全工况中的权重程度符合实际要求，计算系统等
效系数，其中系统等效系数越大，则该等效工况对应在待优化机构的连续动态工况中越重要；
[0011]以待优化机构关键部件非线性有限元模型的每个单元的相对密度为设计变量，利用变密度法对每个等效工况的有限元分析结果进行拓扑优化；
[0012]设定惩罚因子，对该惩罚因子设定合适的值控制待优化机构的单元密度尽可能趋向0或1，从而将原本处于离散状态的非线性有限元模型转换为容易求解的连续型优化模型并进行计算；
[0013]结合系统等效系数Q
i
，对待优化机构的连续动态工况进行等效静态转化、再进行结构拓扑优化生成优化结果。
[0014]进一步的，根据待优化机构关键部件的材质特性，设定应力阈值S
max
和位移阈值D
max
，对所有等效工况从应力S
i
、位移D
i
及时域T
i
三个维度进行等效化处理，根据等效分析的需要，首先对所有参数进行统一化处理：
[0015]应力参数L
si
＝S
i
/S
max
[0016]位移参数L
di
＝D
i
/D
max
[0017]时域参数
[0018]进一步的，在对复杂连续动态工况等效静态转化的过程中，根据不同时间不同的单元工况对应不同的权重系数，采用如下方式计算等效系数：
[0019][0020]L
si
表示应力参数，L
di
表示位移参数，L
ti
表示时域参数，V
i
表示在i工况下，应力参数、位移参数、时域参数与三坐标轴围城的四面体的体积，其中三坐标轴分别为应力参数、位移参数和时域参数
[0021]进一步的，通过建立的综合目标函数，对待优化机构的连续动态工况进行结构拓扑优化得到优化结果，其中综合目标函数如下：
[0022][0023]其中F(ρ)为结构综合目标函数，C
i
(ρ)为第i工况下结构柔度值，C
max
和C
min
分别代表结构的最大柔度与最小柔度，F
i
为结构在第i工况下合力向量，K
i
为结构在第i工况下的刚度矩阵，U
i
为结构在第i工况下的位移列阵，V0为结构设计区域的初始体积，V为结构优化后的体积，f为结构体积分数约束参数，ρ
min
为单元相对密度最小值。
[0024]由于采用了上述技术方案，本专利技术提供的一种基于多维等效动态载荷理论的桥架结构拓扑优化方法，该方法可广泛应用于线性动态载荷作用下的桥架设计领域，将复杂的桥架动态系统工况等效为若干个考虑应力场，位移场的静态载荷工况，并考虑到时间效应
的影响，从而转化为多维度条件下的多工况桥架结构拓扑优化问题，以此解决在复杂动态系统工况下的桥架优化问题。最终得到的最优力学桥架拓扑结构，在满足实际工况的条件下其轻量化程度较高，可广泛应用于指导生产实践活动。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本专利技术公开的基于多维等效动态载荷理论的桥架结构拓扑优化方法流程图。
[0027]图2为本专利技术实施例提供的一种桥架机构的简化三维模型。
[0028]图3为本专利技术实施例中工人对桥架的实际使用情况示意图。
[0029]图4为本专利技术实施例中提供的基于多维等效动态载荷理论的实施例优化结果等效变密度云图。
[0030]图5为本专利技术实施例中根据优化结果结合具体使用情况重构的活动三角架三维模型示意图。
[0031]图6为本专利技术实施例中相同工况下优化前后活动三角架应力云图对比示意图。
[0032]图7为本专利技术实施例中相同工况下优化前后活动三角架位移云图对比示意图。
具体实施方式
[0033本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多维等效动态载荷理论的走行桥架结构拓扑优化方法，其特征在于包括：建立含有运动学自由度的待优化机构的非线性有限元模型，采用动力学分析方法确定待优化机构在实际动态连续工况下的受力情况；获得待优化机构在连续工况下某一段时间载荷位置不发生改变的关键受力段，根据待优化机构特性锚定等效过程分析步的单元时间；基于单元时间，将待优化机构所受的动态连续工况转化为多个单元工况；对工况序号进行判断，若i＝N
max
，则跳过该步骤进行后续计算，若i不等于N
max
，更新工况序号i＝i+1，对该工况序号下的有限元进行分析，当到达关键受力段时间域时，将该时域内所有单元工况进行合并，以合并后的工况作为研究对象进行有限元分析；根据待优化机构关键部件的材质特性，对所有等效工况从应力、位移和时域三个维度进行等效化处理；控制不同的受力段在待优化机构全工况中的权重程度符合实际要求，计算系统等效系数，其中系统等效系数越大，则该等效工况对应在待优化机构的连续动态工况中越重要；以待优化机构关键部件非线性有限元模型的每个单元的相对密度为设计变量，利用变密度法对每个等效工况的有限元分析结果进行拓扑优化；设定惩罚因子，对该惩罚因子设定合适的值控制待优化机构的单元密度尽可能趋向0或1，从而将原本处于离散状态的非线性有限元模型转换为容易求解的连续型优化模型并进行计算；结合系统等效系数Q
i
，对待优化机构的连续动态工况进行等效静态转化、再进行结构拓扑优化生成优化结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据待优化机构关键部件的材质特性，设定应力阈值S
max
和位移阈值D
max
，对所有等效工况从应力S...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱成章，王鹏，王金福，纪维东，孙宁，牟瑞平，王晓斌，
申请(专利权)人：大连华锐重工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：