一种数据驱动的双尺度结构的优化设计方法及设备技术

本发明专利技术属于结构优化设计相关技术领域，其公开了一种数据驱动的双尺度结构的优化设计方法及设备，包括以下步骤：(1)将双尺度结构的设计域中各个单元对应微结构的切割高度作为设计变量；(2)对两种微结构进行min处理以取并集获得单元的真实微结构，并利用均匀化方法计算切割间距下各单元的等效弹性矩阵；(3)将离线数据库中的等效弹性矩阵和微结构的体积分别转为任一切割高度下的弹性常数及体积分数，并进一步得到整体位移向量；(4)构建体积约束下的柔度最小化优化模型，设计目标为使双尺度结构柔度最小；(5)分别计算柔度最小化优化模型的目标函数及约束函数对设计变量的灵敏度，进而得到最优的双尺度结构。本发明专利技术提高了计算效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种数据驱动的双尺度结构的优化设计方法及设备


[0001]本专利技术属于结构优化设计相关
，更具体地，涉及一种数据驱动的双尺度结构的优化设计方法及设备。

技术介绍

[0002]相比于一般结构，双尺度结构具有重量轻、强度高、减震等优点，因此得到了航空领域学者的关注。由于双尺度结构包含了微观尺度和宏观尺度，而两个尺度互相耦合。为了获得在两种尺度下最优的材料分布从而实现双尺度结构的优异性能，开展双尺度结构优化研究，在保证微结构的连接性下提升计算效率具有重大意义。
[0003]为了提升计算效率，采用离线数据驱动方法进行双尺度结构优化，该方法直接一次性生成大量数据样本作为数据库，直接构造满足精度的代理模型且在优化过程中不再更新代理模型，因此数据驱动下的双尺度结构优化在保证精度的条件下能够极大提升效率。
[0004]研究表明，通过数据驱动方式进行的双尺度结构优化，能在提升效率的同时保证微观尺度的连接性，并且灵活分配材料位置，从而满足不同结构的不同区域的最佳要求。
[0005]目前，双尺度结构优化方法还存在设计上的问题：尺度分离方法进行的双尺度结构优化需要解决微观尺度结构连接性问题；尺度关联方法进行的双尺度结构优化通常计算效率较低。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种数据驱动的双尺度结构的优化设计方法及设备，其通过数据驱动的方式提升了计算效率，同时使用切割方式获得的微结构也保证了连接性问题。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，该方法包括以下步骤：
[0008](1)将双尺度结构的设计域中各个单元对应微结构的切割高度作为设计变量，利用各单元中不同切割高度的微结构描述所述双尺度结构；
[0009](2)对两种微结构进行min处理以取并集获得单元的真实微结构，并利用均匀化方法计算切割间距下各单元的等效弹性矩阵，进而得到的离线数据库；
[0010](3)利用插值函数将离线数据库中的等效弹性矩阵和微结构的体积分别转化为任一切割高度下的弹性常数及体积分数，并进一步进行有限元分析以得到整体位移向量；
[0011](4)构建体积约束下的柔度最小化优化模型，该模型的设计目标为使双尺度结构柔度最小；
[0012](5)分别计算柔度最小化优化模型的目标函数及约束函数对设计变量的灵敏度，基于计算得到的灵敏度对设计变量进行更新，进而得到最优的双尺度结构。
[0013]进一步地，用水平集函数和切割函数表示一次切割操作得到的组
合函数
[0014][0015]其中D为参考域，
[0016]将切割结果按照正负关系定义虚拟微结构
[0017][0018][0019][0020]通过对虚拟微结构进行布尔并集操作得到实际的微结构Ω
k
：
[0021][0022]选择对组合函数做min处理
[0023][0024]同样地按照切割操作正负关系定义为实际微结构，最终利用实际微结构表示双尺度结构Ω：
[0025][0026]根据计算均匀化理论，周期性微结构的宏观等效弹性张量表示为：
[0027][0028]其中|V|表示微结构体积，E
pqrs
表示微观结构局部弹性张量，为已知的宏观应变场。
[0029]进一步地，利用紧支撑径向基函数插值公式和离线数据库求解任一切割高度下的弹性常数和体积分数：
[0030][0031][0032][0033]其中p
i
表示所述插值函数的坐标中心点；x在这里表示各单元中两种微结构的切割高度；τ为自由形状参数；d
s
为自定义常数。
[0034]进一步地，利用建立各所述单元的刚度矩阵K
e
，将各个所述单元对应的刚度矩阵K
e
组装为整体刚度矩阵K；
[0035]利用公式Ku＝f求解出整体位移向量u，f为外力向量，从而完成双尺度结构的有限元分析。
[0036]进一步地，体积约束下的柔度最小化优化模型的表达式为：
[0037][0038]其中I表示微结构的种类。
[0039]进一步地，目标函数对于设计变量的灵敏度的计算公式为：
[0040][0041]同时：
[0042]K
e
＝B
T
DBtA
e
[0043]其中B为单元应变矩阵，t为单元厚度，A
e
为单元面积。
[0044]进一步地，约束函数对设计变量的灵敏度的计算公式为：
[0045][0046]根据目标函数、约束函数以及它们关于设计变量的灵敏度，结合移动渐进线方法更新设计变量H
I
，利用更新后的H
Inew
表示各单元实际微结构的分布从而获得整体双尺度结构。
[0047]进一步地，重复步骤S2
‑
S4，直至满足优化终止条件，得到双尺度结构的最优设计，优化终止条件为：
[0048]或k≥k
max
，
[0049]其中c
err
为柔度误差，k为当前迭代次数，ε为柔度误差的下限值，k
max
为迭代次数的上限值。
[0050]本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现如上所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法。
[0051]本专利技术还提供了一种数据驱动的双尺度结构的优化设计系统，所述系统包括存储器及处理器，所述存储器储存有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行如上所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法。
[0052]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法及设备主要具有以下有益效果：
[0053]1.本专利技术利用结构中各单元不同切割高度的微结构组成最终的双尺度结构，以结构刚度最大化作为设计目标，以整体结构的体积作为约束条件，对设计变量进行更新，直至满足优化终止条件，得到了最优的双尺度结构，保证了整体结构中微结构的连接性，极大地
提升了优化效率的同时获得了最优的材料分布。
[0054]2.通过数据驱动的方式提升了计算效率，同时使用水平集切割方式获得的微结构也保证了连接性问题。
附图说明
[0055]图1是本专利技术一个实施例提供的一个MBB梁双尺度结构优化设计的结构示意图；
[0056]图2中的(a)、(b)分别是双尺度结构中每个单元里两种虚拟微结构在切割高度为0时的微结构模型；
[0057]图3是本专利技术一个实施例提供的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法流程图；
[0058]图4是关于双尺度结构优化的初始设计图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将双尺度结构的设计域中各个单元对应微结构的切割高度作为设计变量，利用各单元中不同切割高度的微结构描述所述双尺度结构；(2)对两种微结构进行min处理以取并集获得单元的真实微结构，并利用均匀化方法计算切割间距下各单元的等效弹性矩阵，进而得到的离线数据库；(3)利用插值函数将离线数据库中的等效弹性矩阵和微结构的体积分别转化为任一切割高度下的弹性常数及体积分数，并进一步进行有限元分析以得到整体位移向量；(4)构建体积约束下的柔度最小化优化模型，该模型的设计目标为使双尺度结构柔度最小；(5)分别计算柔度最小化优化模型的目标函数及约束函数对设计变量的灵敏度，基于计算得到的灵敏度对设计变量进行更新，进而得到最优的双尺度结构。2.如权利要求1所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于：用水平集函数和切割函数表示一次切割操作得到的组合函数表示一次切割操作得到的组合函数其中D为参考域，将切割结果按照正负关系定义虚拟微结构将切割结果按照正负关系定义虚拟微结构将切割结果按照正负关系定义虚拟微结构将切割结果按照正负关系定义虚拟微结构通过对虚拟微结构进行布尔并集操作得到实际的微结构Ω
k
：选择对组合函数做min处理同样地按照切割操作正负关系定义为实际微结构，最终利用实际微结构表示双尺度结构Ω：根据计算均匀化理论，周期性微结构的宏观等效弹性张量表示为：其中|V|表示微结构体积，E
pqrs
表示微观结构局部弹性张量，为已知的宏观应变场。3.如权利要求1所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于：利用紧支撑径向基函数插值公式和离线数据库求解任一切割高度下的弹性常数和体积分数：
φ(r)＝max{0，(1
‑
r)4}(4r+1)，其中p
i
表示所述插值函数的坐标中心点；x在这里表示各单元中两种微结构的切割高度；τ为自由形状参数；d
s
为自定义常数。4.如权利要求3所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于：利用建立各所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏奇，邵敏捷，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：