【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于结构拓扑优化相关，更具体地，涉及一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法。
技术介绍
1、热弹性结构的优化方法是在结构优化过程中考虑温度场及其变化的优化方法。机械设备在工作运作中大多会产生额外热量，这使得部分结构部件工作在高温环境中。材料的力学性质受到温度的影响会发生变化，这种变化对于结构部件的力学性能影响是不可忽视。工程领域对于在设计和优化结构时同时考虑温度场和应力场的需求日益增长，尤其在航空航天、汽车和电子设备等领域。
2、热弹性结构在实际工作中，不会保持恒定温度，需要考虑温度场变化的情况。为降低温度变化对于工作性能的影响，将温度范围内多个采样点的平均柔度和柔度方差设置为目标函数。增加柔度方差的权重，可以大幅降低温度变化对于结构性能的扰动。
3、利用多变量切割水平集方法在单元中生成微结构实现双尺度优化。现有技术在热弹性结构的优化中使用幂律法，即各向同性微观结构惩罚法，这种方法获得的优化结果无法彻底消除中间密度单元。因此，亟需一种能解决上述问题的优化方法。
技术实现思路
1、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基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，解决各向同性微观结构惩罚法在热弹性结构优化中无法彻底消除中间密度单元的问题。
2、为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，该方法包括下列步骤：
3、s1将待处理平面热弹性结构的表面进行有限元网格划分获
4、s2对每个网格单元对应的多个虚拟单元微结构进行布尔运算获得新的虚拟单元微结构，该新的虚拟单元微结构为实际微结构，改变所述切割高度，获得等切割高度间距下的所有网格单元各自对应的实际微结构，以及每个实际微结构对应的弹性矩阵和体积分数；
5、s3构建热力耦合双尺度拓扑优化模型，其中，设计域置于不同的温度增量中，设计目标是减小温度波动对于柔度的影响，目标函数是平均柔度与柔度方差的函数，设计约束为结构的体积分数；
6、s4利用步骤s2中实际微结构对应的弹性矩阵和体积分数求解所述优化模型，获得最佳拓扑结构和对应的切割高度。
7、进一步优选地，在步骤s3中，所述热力耦合双尺度拓扑优化模型按照下列进行：
8、
9、其中，c是目标函数，即平均柔度与柔度方差乘以λ的和、j代表不同的温度增量、是全局热载荷、f2力载荷、uj是全局位移矢量，k是全局刚度矩阵，hmin和hmax是切割高度的下限和上限，为常量，v为结构的实际体积分数，为体积约束。
10、进一步优选地，在步骤s4中，所述求解优化模型按照下列步骤进行：
11、s41在步骤s2中等间距高度间距下的实际微结构中进行插值计算，获得在任意切割高度下的实际微结构对应的弹性矩阵和体积分数；
12、s42利用所有网格单元对应的实际微结构的弹性矩阵计算待处理平面热弹性结构的整体位移矩阵；
13、s43利用所述整体位移矩阵计算所述目标函数，同时计算目标函数和体积约束对切割高度的灵敏度，更新涉及变量获得新的优化结构；
14、s45判断当前目标函数误差或者迭代次数是否满足预设终止条件，满足终止条件，则输出当前值，否则返回步骤s41。
15、进一步优选地，在步骤s41中，所述插值计算采用紧支撑径向基函数按照下式计算：
16、
17、
18、φ(rq)＝max{0，(1-rq)4}(4rq+1)
19、
20、其中，为弹性矩阵中的元素，m＝1，2，3，n＝1，2，3，vk为单元体积分数，q表示不同的中心点，q＝1...r，r为径向基插值函数所选中心点数目，r＝9；φ(rq)为径向基函数，βq是径向基函数φ(rq)的权重系数，φ′(rq)与β′q分别是体积分数的插值函数的径向基函数和权重系数；为插值点到中心点的距离，其中hq是插值函数中心点的位置，是设计变量，i是选用微结构原型的编号，i＝1...n，n为选用微结构原型总数目，k是结构划分单元的编号，k＝1...m，m为结构划分单元的总数量；σ为自由形状参数、ds为自定义常数。
21、进一步优选地，在步骤s43中，所述灵敏度按照下列公式计算：
22、
23、其中，c为目标函数，为设计变量，i是选用微结构原型的编号，i＝1...n，n为选用微结构原型总数目，k是结构划分单元的编号，k＝1...m，m为结构划分单元的总数量；cj为柔度，j代表不同的温度增量，j＝1，2，3...t，t为温度变化范围内的采样点数目；λ为柔度方差的系数。
24、进一步优选地，所述柔度cj对设计变量的倒数按照下式进行：
25、
26、其中，为设计变量，i＝1...n，n为选用微结构原型数目，k＝1...m，m为结构划分单元的数量；cj为柔度，j＝1，2，3...t，t为温度变化范围内的采样点数目；ue为单元位移矩阵，t表示为ue的转置，fe为单元热载荷，ke为单元刚度矩阵。
27、进一步优选地，在步骤s45中，所述当前目标函数误差按照下列公式计算：
28、
29、其中，cerr为目标函数的误差，ck-p+1表示迭代第(k-p+1)次目标函数的值，k为当前迭代次数，为获得最后十次目标函数的值设置p＝1，2，3，4，5。
30、进一步优选地，在步骤s3中，所述整体位移矩阵按照下列公式计算获得：
31、
32、其中，k是全局刚度矩阵、是全局热载荷，uj是全局位移矢量，j代表不同的温度增量、f2力载荷。
33、进一步优选地，在步骤s1中，所述虚拟单元微结构是按照下列步骤进行：
34、s11利用水平集函数和切割函数多每个网格单元进行切割，切割后获得每个网格单元对应的组合函数；
35、s12计算组合函数的正负，组合函数为负为实体区域，否则为空白区域。
36、进一步优选地，所述组合函数按照下列进行：
37、
38、其中，x为网格单元的元素，i是选用微结构原型的编号，i＝1...n，n为选用微结构原型总数目，k是结构划分单元的编号，k＝1...m，m为结构划分单元的总数量，为水平集函数，为切割函数，为组合函数。
39、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，具备下列有益效果：
40、1.本专利技术提供一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，设计材料处于均匀的温度场中，在设计范围内考虑多个不同的温度增量，基于不同温度情况下的柔度进行优化设计；利用多变量切割水平集方法在单元中生成微结构实现双尺度优化；以不同温本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，在步骤S3中，所述热力耦合双尺度拓扑优化模型按照下列进行：
3.如权利要求1所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，在步骤S4中，所述求解优化模型按照下列步骤进行：
4.如权利要求3所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，在步骤S41中，所述插值计算采用紧支撑径向基函数按照下式计算：
5.如权利要求3所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，在步骤S43中，所述灵敏度按照下列公式计算：
6.如权利要求5所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，所述柔度cj对设计变量的倒数按照下式进行：
7.如权利要求3所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，在步骤S45中，所述当前目标函数误差按照下列公式计算：
8.如权利要
9.如权利要求1所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，在步骤S1中，所述虚拟单元微结构是按照下列步骤进行：
10.如权利要求9所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，所述组合函数按照下列进行：
...【技术特征摘要】
1.一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，在步骤s3中，所述热力耦合双尺度拓扑优化模型按照下列进行：
3.如权利要求1所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，在步骤s4中，所述求解优化模型按照下列步骤进行：
4.如权利要求3所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，在步骤s41中，所述插值计算采用紧支撑径向基函数按照下式计算：
5.如权利要求3所述的一种基于数据驱动的热弹性结构双尺度拓扑优化方法，其特征在于，在步骤s43中，所述灵敏度按照下列公式计算：
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