用于拓扑优化中获得工程产品的最佳设计的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于在拓扑优化中获得工程产品的最佳设计的方法和系统。本发明专利技术定义了包含待优化设计域的工程产品。设计域可以是工程产品的一部分或者整个工程产品。本发明专利技术还定义了设计目标和可选约束条件，使得优化目的能够实现。此外，设计域的最初配置由有限元分析网格表示。每个单元或者单元组都与设计变量相关。根据用于设计域的基线材料，生成一组离散材料模型。该组离散材料模型被配置成覆盖设计变量的整个范围，且每个离散材料模型代表一非重叠部分。根据设计变量，表示设计域的每个单元都与合适的离散材料模型相关。通过ＦＥＡ可获得整个工程产品的结构响应，以评估设计目标并更新设计变量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机辅助工程设计优化，更具体地说，涉及用于在工程产品设计中 提供高效、有效的拓扑优化的方法和系统。
技术介绍
今天，计算机辅助工程(CAE)已经被用于在各种任务上辅助工程师，例如，分析、 模拟、设计、制造等。在传统的工程设计程序中，CAE分析(例如，有限元分析(FEA)、有限差 分析、无网格分析、计算流体动力学(CFD)分析、减少噪声-震动-刺耳声(NVH)的模态分 析等)已经被用于评估响应(例如，压力、位移等)。使用汽车设计作为例子，使用FEA分析 汽车的特殊版本或者设计，以获得由于某些负荷条件引起的响应。接下来通过基于特定目 的和约束来修改某些参数和设计变量(例如，钢壳的厚度、框架的位置等)，工程师们将会 尽量改进汽车的设计。另一种FEA被用于反映这些改变，直至达到“最佳”设计。但是，这 一方法通常取决于工程师的学识或者基于反复试验方法。为了解决这个问题，使用了用于 识别“最佳”设计的系统化方法(被称为设计优化)。传统上，采用计算机系统来执行设计优化，且设计优化通常被分为三个类别尺 寸、形状和拓扑结构。拓扑优化最适合用于生成最佳概念设计，其中用户(也就是，工程师、 设计者等)不必像工程产品的形状和/或尺寸那样设置太多的约束条件。但是，存在与拓扑 优化尤其是复杂结构的组件的拓扑优化相关的问题，其中使用有限元分析(FEA)来计算复 杂结构或者工程产品的结构响应。特别是，拓扑优化中的设计变量是连续的实数，其与FEA 模型中的材料模型相关。处理材料模型的无限可能性的难度包括执行拓扑优化的程序非常 长、昂贵和不可行。因此，只能使用现有的用于拓扑优化的方法来优化相对简单的结构或被 简化的复杂结构。因此，期望有一种用于对工程产品的设计执行拓扑优化的改进的方法和 系统。
技术实现思路
本专利技术公开了一种用于改进拓扑优化以设计工程产品的方法和系统。根据本专利技术 的一方面，定义了包含待优化的设计域的工程产品。该设计域可以是该工程产品的一部分 或者是整个工程产品。定义至少一个设计目标，使得优化目的能够实现。也可以与设计目标 一起定义一个或多个可选的设计约束条件。此外，设计域的最初配置由有限元分析网格或 者栅格中的多个有限元表示。每个单元都与一个设计变量相关。从用于设计域或者其一部 分的基线材料生成一组离散材料模型。每个离散材料模型代表设计变量的一特定非重叠范 围。这一组离散材料模型被配置用于将设计变量的无限特性限制为有限数量的材料模型。根据另一方面，迭代拓扑优化从设计域的初始配置开始。在每次迭代过程中，执行 至少一次计算机辅助工程模拟，以评估各种负荷条件下整个工程产品的结构响应。该工程 模拟使用其上安装有FEA应用模块的计算机系统内的有限元分析来进行。从FEA结果或者 结构响应中提取出每个单元的相关信息。然后使用合适的公式计算设计目标(有些时候是4目的功能)和可选约束条件。接下来根据所计算出的设计目标和可选的约束条件更新每个 单元的设计变量。根据离散化机制，将合适的离散材料模型分配给每个单元。检查总体收 敛，如果确定没有达到收敛，则执行拓扑优化的另一次迭代。在新的迭代过程中，在设计域 中使用更新后的材料模型。从FEA网格中将分配有对应于临界值以下的设计变量的离散材 料模型的那些单元清除。该迭代优化一直继续，直至已经满足总体收敛标准，或者已经达到 预定的最大迭代次数。根据另一方面，迭代拓扑优化基于有多个格点的混合细胞自动机(HCA)方法。每 个格点被映射到一个或多个单元或者代表设计域的有限元分析网格。为每个格点确定相邻 的单元或者格点的列表，用于充分减少或者限制两个相邻格点之间的数字中断，并促进优 化拓扑。格点-单元的映射关系允许在工程模拟中计算出设计目标和可选的约束条件，同 时在格点上执行基于HCA的拓扑优化。通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述，本专利技术的其他目的、特征和优点 将会变得显而易见。附图说明参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本专利技术的这些和其它 特征、方面和优点，其中图1A是根据本专利技术的实施例将在拓扑优化中使用的示范性设计域的透视图，该 设计域由有限元网格中的多个有限元表示；图1B是图1A的设计域在一设计负荷条件下的透视图；图1C是图1A的设计域在图1B的负荷条件下的示范性可选设计的透视图；图2A-2B是根据本专利技术的实施例使用有限元分析和混合细胞自动机为工程产品 执行拓扑优化以评估设计目的和可选约束条件的示范性过程的流程图；图3A是用于指定或者定义二维单元的邻域(neighborhood)的两个示范性方案的 示意图；图3B是用于指定或者定义三维单元的邻域(neighborhood)的两个示范性方案的 示意图；图3C是根据本专利技术的实施例的用于将三维设计域转换为二维横截面的示范性映 射方案的示意图；图4是根据本专利技术的一个实施例的用于离散连续设计变量的示范性方案的示意 图；图5是根据本专利技术的实施例的可用作示范性设计目标的测量结果的材料能耗的 示意图；以及图6是计算机设备的主要组件的功能框图，本专利技术的实施例可在该计算机设备中 实施。具体实施例方式在此将参照图1A-6讨论本专利技术的实施例。但是本
的人员将会理解，此处 参照附图给出的详细描述用作解释的目的，而本专利技术延伸到这些有限的实施例之外。首先参照图1A，梁或者设计域100由两端104a_b固定的多个有限元102表示。负 荷条件下的梁在图1B中示出。负荷条件由从两个固定端104a-b之间以初始速度(v。)112 接触梁的圆柱110表示(为了便于观看，图示为一半打开的圆柱板)。图3所示为在图1B 的负荷条件下梁100的最佳设计120。作为拓扑优化的结果，某些单元102已经被清除(示 为空白空间122)。本
的人员将会了解，梁(设计域)100通常是更复杂结构(未图示)中的 结构组件的简化。根据本专利技术的一方面，可以使用有限元分析应用模块并采用迭代拓扑优 化来优化梁100，从而对整个结构执行一个或多个工程模拟。此外，虽然此处所示的有限元 102是三维实体闭联单元，但是也可以在迭代拓扑优化中使用其它类型的有限元，例如壳单 元。根据本专利技术的一个方面，在图2A-2B中集中示出了使用有限元分析对工程产品执行基 于混合细胞自动机(HCA)的拓扑优化的示范性过程200。过程200优选地在软件中执行。在刚开始时，在步骤202，过程200接收对包含有待优化设计域的工程产品的定 义。设计域可以是该工程产品的一部分，有时候是整个产品。在一个例子中，该工程产品包 括汽车，而设计域是汽车的缓冲器。在另一个例子中，图1A-1C中所示的梁是该工程产品和 设计域。包含在定义中的还有一个或多个设计优化目的或目标、以及可选的设计约束条 件，例如，实现最小的重量的同时保持结构完整性/强度，以满足行业和/或政府规章制度。 设计域的基线材料在定义中进行了规定。在步骤204，过程200获得设计域的有限元分析(FEA)网格。FEA网格通常包括一 栅格中的多个有限元。在三维工程产品中，每个单元通常由与材料或者质量密度相关的实 体闭联单元(例如，单元102)表示。接下来，在步骤206，根据设计域的基线材料生成一组 离散材料模型。在迭代拓扑优化中，每个单元被赋予一设计变量，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在拓扑优化中获得工程产品的最佳设计的方法，其特征在于，包括：在计算机系统中接收工程产品的定义，所述工程产品包含有将根据至少一个设计目标进行优化的指定设计域，所述定义包括设计域的有限元分析网格以及将用于设计域的基线材料，其中所述有限元分析网格包括多个有限元，每个有限元被赋予一设计变量，该设计变量对应于基线材料的特性；生成多个离散材料模型，每个被配置用于表示基线材料的特定部分，其中所述特定部分与设计变量的范围的对应部分相关；以及在设计域的迭代拓扑优化过程中，通过根据相应设计变量的变化迭代修改一些单元，获得实现所述至少一个设计目标的设计域的最佳设计，其中拓扑优化的每次迭代包括使用工程产品的有限元分析在计算机系统中执行至少一次工程模拟，并根据所述至少一次工程模拟的结果评估所述至少一个设计目标以更新每个单元的相应设计变量，根据所述每次迭代中的相应设计变量，将所述每个单元赋予对应的一个离散材料模型，且在所述每次迭代结束时将相应设计变量低于临界值的一个或多个单元清除。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：塔舍戈尔，威廉姆J鲁，
申请(专利权)人：利弗莫尔软件技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]