基于植物根系形成机理的板壳结构加强筋分布设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于植物根系形成机理的板壳结构加强筋分布设计方 法，在分析和总结植物根系形成机理的研究基础上，总结出板壳结构加强筋 分布设计方法，分初始化、成长、分歧三个过程，在成长过程中若分歧了过 多的不合理加强筋，会在后续的过程中退化，设计方法使结构在成长加强筋 的同时，智能地趋于具有最优机械性能的结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种结构设计方法，特别涉及一种。
技术介绍
尽管自然界中植物根系的形态各异，主要由植物本身的基因控制，但同种植物的根系在不同的环境中却具有不同的形态，说明植物根系形态在很大程度上由其自身的成长环境决定，并且其形态的形成具有自适应成长环境的功能。这些自适应成长规律可归纳为屈重力性、趋水性及向触性等。植物根系的形态形成正是在这些自适应成长环境的成长规律控制下，通过生长、分歧及退化等手段，合理巧妙地调整枝的成长方向和成长速度，达到整体功能最优的优化过程。 如果把板壳结构加强筋的分布看成一个逐步形成的过程，那么设计者希望这个形成过程能自适应于一定的工作条件，在材料体积的约束下使结构逐步趋向具有最优机械性能的结构。这样的过程和植物根系形态的形成过程具有本质的相似性一定的工作条件即为植物根系形态形成过程中的生长环境，加强筋分布则为根系形态分布。如果借助于植物根系形态的形成机理来设计板壳结构加强筋的分布，那么设计得到的结构具有和植物根系类似的最优性能自适应工作条件，并达到最优机械性能。
技术实现思路
本专利技术是针对板壳结构加强筋的分布与植物根系形成机理有着本质的相似性的问题，提出了一种，在分析和总结植物根系形成机理的研究基础上，总结出板壳结构加强筋分布设计方法，设计方法使结构在成长加强筋的同时，智能地趋于具有最优机械性能的结构。 本专利技术的技术方案为一种，包括如下步骤 (1)首先将基结构离散为8节点四边形壳单元，加强筋由基板壳单元的相邻节点组成，为2节点的梁单元，各加强筋的初始截面积为A0； (2)根据基结构的支撑和承载条件，选择若干个基结构上的节点作为“种子”，在选定“种子”后，“种子”被包含在分歧点的集合{P}中，而“种子”四周可成长的加强筋被包含在成长加强筋集合{R}中，同时给定体积增长率ΔV、加强筋的分歧临界值Ab以及加强筋的总体积上限Vlimit； (3)成长过程对整个结构进行有限元分析，而对包含在成长加强筋集合{P}中的可成长的加强筋根据如下公式计算目标函数相对于截面积的设计灵敏度， 最大刚度设计 式中，U—结构总应变能，u—结构的节点位移矢量，F—结构的节点载荷矢量，K—结构的整体刚度矩阵，Aj为加强筋j的截面积， 最大自振频率设计 式中，λ1—结构的基振圆频率；K—结构的总体刚度矩阵，M—结构质量矩阵，u1—基振的模态向量， 在体积增长率的控制下，集合{R}中的加强筋根据其自身的设计灵敏度生长或退化，即按下式更新其截面积， 最大刚度设计 式中， 为结构应变能的平均设计灵敏度，li为加强筋i的长度，w为控制体积增量的加权系数，ΔV为体积增长率，m为正在成长的加强筋的数量， 最大自振频率设计 式中， 为结构基振圆频率的平均设计灵敏度； (4)分歧过程如果一加强筋更新后的截面积大于或等于分歧临界值Ab时，该加强筋的两个端点被认为具有分歧的能力，并作为新的分歧点加入到分歧点的集合{P}中，而和新的分歧点相接的所有加强筋加入到成长加强筋集合{R}中，进入步骤(3)进行下一成长步中成长或退化，而当一加强筋的截面积减少到加强筋的初始截面积A0时，该加强筋被认为已经完全退化，从集合{P}中移走，而它的两个端点也从集合{P}中除去； (5)步骤(3)和(4)反复进行，直至成长了的加强筋总体积，即加强筋面积和长度乘积的总和，达到预定的总体积上限Vlimit。 所述“种子”应选择在支撑边界和载荷作用位置上，满足加强筋的分布和载荷的传递路线基本一致的原则。 本专利技术的有益效果在于本专利技术，借助于植物根系形态的形成机理来设计板壳结构加强筋的分布，使结构在成长加强筋的同时，智能地趋于具有最优机械性能的结构。 附图说明 图1为本专利技术设计流程图； 图2为本专利技术两对边固定的带中心孔的方板承受面均布载荷时具有最大刚度的加强筋分布图； 图3为本专利技术两对边固定的带中心孔的方板承受中心线均布载荷时具有最大刚度的加强筋分布图； 图4为本专利技术两对边固定的带中心孔的方板承受扭转载荷时具有最大刚度的加强筋分布图； 图5为本专利技术两对边固定的带中心孔的方板承受弯扭组合载荷时具有最大刚度的加强筋分布图； 图6为本专利技术叶脉的分布模拟图； 图7为本专利技术两邻边固定方板设计模型； 图8为本专利技术两邻边固定方板具有最大自振频率的加强筋分布图； 图9为本专利技术两邻边固定具有最大自振频率加强筋分布的方板振动模态图。 具体实施例方式 1、方法设计的描述 研究薄壁板壳结构，该板壳结构的上下面上对称布置着截面尺寸可忽略不计的原始筋板。为了得到具有最佳机械性能的结构，优化设计问题可描述为在给定加强筋总体积上限的约束条件下，求各加强筋的面积，使结构的机械性能最优。即 最大/小化obj 受约束于V≤Vlimit 设计变量Aj(j＝1，2，3，…，n) 其中，obj为设计目标，在板壳结构中可根据设计要求进行选择，如结构的最大刚度或最大自振频率；V是最终成长了的加强筋总体积；Vlimit是给定的加强筋总体积上限；Aj为加强筋j的截面积；n是加强筋的数量。 2、方法设计的实现 设计流程如图1所示，分为以下3个步骤 A初始化过程 (1)首先将基结构离散为8节点四边形壳单元，加强筋由基板壳单元的相邻节点组成，为2节点的梁单元。各加强筋的初始截面积为数值很小、可忽略不计的A0。 (2)根据基结构的支撑和承载条件，选择若干个基结构上的节点作为“种子”。在选定“种子”后，“种子”被包含在分歧点的集合{R}中，而“种子”四周可成长的加强筋被包含在成长加强筋集合{P}中。同时给定体积增长率ΔV、加强筋的分歧临界值Ab以及加强筋的总体积上限Vlimit。 B成长过程 对整个结构进行有限元分析，而对包含在成长加强筋集合{R}中的可成长的加强筋按下式计算目标函数obj相对于截面积的设计灵敏度。 最大刚度设计 式中，U——结构总应变能，u——结构的节点位移矢量，F——结构的节点载荷矢量，K——结构的整体刚度矩阵。 最大自振频率设计 式中，λ1——结构的基振圆频率；K——结构的总体刚度矩阵，M——结构质量矩阵，u1——基振的模态向量。 在体积增长率的控制下，集合{R}中的加强筋根据其自身的设计灵敏度生长或退化，即按(4)和(5)式更新其截面积，其中li为加强筋i的长度，w为控制体积增量的加权系数，ΔV为体积增长率，m为正在成长的加强筋的数量。下式说明，每一加强筋的成长率，即截面积的增量，与结构的目标函数obj相对于截面积的设计灵敏度成比例。当某一加强筋的设计灵敏度大于平均值时，该加强筋的截面积增大，反之，则减小。由此可知，设计灵敏度决定了每一加强筋的生长或退化。 最大刚度设计 式中， ---结构应变能的平均设计灵敏度。 最大自振频率设计 式中， ---结构基振圆频率的平均设计灵敏度。 C分歧过程 如果某一加强筋更新后的截面积大于或等于分歧临界值Ab时，该加强筋的两个端点被认为具有分歧的能力，并作为新的分歧点加入到分歧点的集合{P}中，而和新的分歧点相接的所有加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于植物根系形成机理的板壳结构加强筋分布设计方法，包括如下步骤：　（１）首先将基结构离散为８节点四边形壳单元，加强筋由基板壳单元的相邻节点组成，为２节点的梁单元，各加强筋的初始截面积为Ａ↓［０］；　（２）根据基结构的支撑和承载条件，选择若干个基结构上的节点作为“种子”，在选定“种子”后，“种子”被包含在分歧点的集合｛Ｐ｝中，而“种子”四周可成长的加强筋被包含在成长加强筋集合｛Ｒ｝中，同时给定体积增长率ΔＶ、加强筋的分歧临界值Ａｂ以及加强筋的总体积上限Ｖ↓［ｌｉｍｉｔ］；　（３）成长过程：对整个结构进行有限元分析，而对包含在成长加强筋集合｛Ｒ｝中的可成长的加强筋根据如下公式计算目标函数相对于截面积的设计灵敏度，　最大刚度设计：　＊Ｕ／＊Ａ↓［ｊ］＝１／２Ｆ↑［Ｔ］　＊ｕ／＊Ａ↓［ｊ］；＊ｕ／＊Ａ↓［ｊ］＝－Ｋ↑［－１］＊Ｋ／＊Ａ↓［ｊ］ｕ，式中，Ｕ－结构总应变能，ｕ－结构的节点位移矢量，Ｆ－结构的节点载荷矢量，Ｋ－结构的整体刚度矩阵，Ａ↓［ｊ］为加强筋ｊ的截面积，　最大自振频率设计：　式中，＊（１／λ↓［１］）／＊Ａ↓［ｊ］＝ｕ↓［１］↑［Ｔ］（１／λ↓［１］　＊Ｍ／＊Ａ↓［ｊ］－１／λ↓［１］↑［２］　＊Ｋ／＊Ａ↓［ｊ］）ｕ↓［１］，式中，λ↓［１］－结构的基振圆频率；Ｋ－结构的总体刚度矩阵，Ｍ－结构质量矩阵，ｕ↓［１］－基振的模态向量，　在体积增长率的控制下，集合｛Ｒ｝中的加强筋根据其自身的设计灵敏度生长或退化，即按下式更新其截面积，　最大刚度设计：　ΔＡ↓［ｊ］＝＊＊＊，式中，＊＊＊为结构应变能的平均设计灵敏度，ｌ↓［ｉ］为加强筋ｉ的长度，ｗ为控制体积增量的加权系数，ΔＶ为体积增长率，ｍ为正在成长的加强筋的数量，　最大自振频率设计：　＊＊＊，式中，＊＊＊为结构基振圆频率的平均设计灵敏度；　（４）分歧过程：如果一加强筋更新后的截面积大于或等于分歧临界值Ａ↓［ｂ］时，该加强筋的两个端点被认为具有分歧的能力，并作为新的分歧点加入到分歧点的集合｛Ｐ｝中，而和新的分歧点相接的所有加强筋加入到成长加强筋集合｛Ｒ｝中，进入步骤（３）进行下一成长步中成长或退化，而当一加强筋的截面积减少到加强筋的初始截面积Ａ０时，该加强筋被认为已经完全退化，从集合｛Ｒ｝中移走，而它的两个端点也从集合｛Ｐ｝中除去；　（５）步骤（３）和（４）反复进行，直至成长了的加强筋总体积，即加强筋面积和长度乘积的总和，达到预定的总体积上限Ｖ↓［ｌｉｍｉｔ］。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁晓红，李国杰，山崎光悦，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31