基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化设计方法及应用技术

本发明专利技术属于多材料拓扑优化相关技术领域，其公开了一种基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化设计方法及应用，包括以下步骤：(1)采用设计变量布尔值来表示网格单元的材料填充状态，并建立多目标优化模型；(2)根据每个网格单元的温度和位移确定每个设计子域的大小；(3)计算得到多相材料的材料属性插值公式，并将目标函数整体结构的柔度和散热弱度转化为单目标优化问题；(4)建立基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化模型，并在每一次迭代中求解节点位移矩阵和节点温度矩阵，从而得到新的目标函数；然后利用MMA算法更新全局设计变量继而得到多材料的最佳分布。本发明专利技术避免了传统的多尺度功能梯度拓扑优化设计存在的微结构连接问题。连接问题。连接问题。

【技术实现步骤摘要】
基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化设计方法及应用


[0001]本专利技术属于多材料拓扑优化相关
，更具体地，涉及一种基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化设计方法及应用。

技术介绍

[0002]增材制造的发展为制造具有高度几何复杂性的功能优化部件提供了方法，多孔填充结构广泛用于这些新型制造工艺，如熔融沉积建模(FDM)。多孔填充物通常分布在给定实心壳的内部，而不是完全实心构件。这种结构的设计灵感来自大自然，例如人类骨骼和植物茎经过数千年的进化以适应外部荷载。与传统的实心结构相比，这些多孔填充结构具有高强度重量比、良好的能量吸收特性(如隔音性能)。此外，多孔填充结构可以缓解结构应力集中，增加结构屈曲稳定性，并在刚度略微降低的情况下，提高荷载不确定性和材料不足方面的设计稳健性。
[0003]随着现代工业的发展，一种结构往往由多种物理现象影响其可靠性和性能表现，例如航空航天工业要求散热结构具有足够的结构刚度，以承受热载荷引起的变形和应力。在汽车应用中，要求发动机缸体既具有结构强度，以支撑由于内部部件运动所施加的载荷，又需要具有良好的导热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将待优化结构的设计域离散化成n个网格单元，对每个网格单元填充n相材料的一种，采用设计变量布尔值来表示网格单元的材料填充状态，并采用基于变密度法的插值方法建立多目标优化模型，该多目标优化模型的目标函数包括整体结构的柔度及散热弱度；(2)限制每个设计子域的体积分数并根据每个网格单元的温度和位移确定每个设计子域的大小；(3)基于多目标优化模型得到多相材料的材料属性插值公式，并采用线性加权将目标函数整体结构的柔度和散热弱度转化为单目标优化问题，每迭代预定步后更新一次目标函数散热弱度的权重系数；(4)基于SIMP理论建立基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化模型，并利用有限元分析在每一次迭代中求解节点位移矩阵和节点温度矩阵，从而得到新的目标函数；然后利用MMA算法更新全局设计变量继而得到多材料的最佳分布。2.如权利要求1所述的基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化设计方法，其特征在于：将只能取0和1的整数设计变量ρ转化为在区间[0，1]内取值的连续变量，使得ρ从表征各相材料的有无变成表征各相材料的体积分数。3.如权利要求1所述的基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化设计方法，其特征在于：整体结构的柔度的目标函数为：式中，u
i
为单元节点位移矩阵；令为材料单元刚度矩阵提出自身弹性模量E(ρ)得到的单位刚度矩阵，k
m0
为材料密度为“1”的单元刚度矩阵提出弹性模量后的单位刚度矩阵，其弹性模量为E，则有：有限元离散后的结构柔顺度的函数形式为：E
e
(ρ)是杨氏模量对设计变量的插值，u
e
是节点位移。4.如权利要求3所述的基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化设计方法，其特征在于：散热弱度的目标函数为：α
e
(ρ)是导热系数对设计变量的插值，k
t0
和T
e
分别是单位导热矩阵和节点温度。5.如权利要求1所述的基于复杂物理场的多材料全尺度拓扑优化设计方法，其特征在于：基于有限元网格离散的n个网格单元，将整个设计域划分为n个设计子域，设计子域为：Ne＝{i|||ε
i
‑
ε
e
||2≤R}其中，ε
i
和ε
e
是两个单元的质心，R为这个设计子域的影响半径；每个网格单元确定一个
设计子域，设计子域的影响半径R对应的公式为：式中，U为节点位移矩阵，U
min
和U
max
是所有节点发生的最小及最大位移；T为节点温度矩阵，T
min
和T
max
是所有节点的最低...

【专利技术属性】
技术研发人员：李好，杨雪飞，高亮，时云，
申请(专利权)人：上海航天设备制造总厂有限公司，
类型：发明
国别省市：