【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电俘能器的拓扑结构优化设计计算领域，更具体地，涉及一种压电俘能器的拓扑结构优化方法。
技术介绍
1、压电材料是一种具有力电耦合效应的智能材料，在致动、传感、俘能等工程领域有广泛的应用。以压电材料为功能材料设计的压电俘能器(peh)可以将包括机械振动、温度梯度、风能等环境资源转化为电能，收集的电能不仅可以为低功耗的微电子器件例如心脏起搏器供电，同样可作为生物医疗微小电刺激的电能来源。压电材料主要包括压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物和复合压电材料等。
2、为了设计得到具有高效俘能表现的peh，除了提高压电材料的材料性能外，对peh进行结构设计是行之有效的方法之一。在具有高效俘能表现的peh设计过程中，采用拓扑优化进行peh的结构设计是现有技术中采用的主流方法。拓扑优化是在给定设计域内分布给定体积材料上限最优化设计目标的一种结构设计方法，其特点在于该方法为结构设计提供了很大的自由度。
3、现有peh的拓扑结构优化方法的不足包括：1)基于传统隐式描述的设计方法使用单元密度表示极化方向(如ρ＝1代表正向，ρ＝0代表负向)。这有可能导致其优化结果中的极化特征以结构单元为最小单位，给后续人工极化带来极大不便(极化特征小于探针或压头式极化设备的制备尺寸，或局部极化目标区域几何过于复杂导致被电极困难和影响极化效果)；2)必须开展相应的后处理才可提取用于制造与极化的特征几何边界(隐式方法多采用像素点描述结构几何，缺失显式边界信息)，不利于批量化加工制造；3)为了达到最优能量收集效果，基于隐式几何描述的优化结果可
4、压电材料往往需要进行人工极化后才能呈现出压电效应。而人工极化过程中存在复杂的制造约束，并不像弹性材料那样可以满足若干复杂的约束。这给当前基于拓扑优化的俘能器设计带来了巨大的困难，必须逐像素点进行处理。因此当前基于拓扑优化的俘能器设计，只能在理论上满足设计需求，但是无法满足其在制造过程中的需求。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种压电俘能器的拓扑结构优化方法，充分考虑制造约束，将极化要求与拓扑优化算法进行有机融合以直接得到便于生产制造的优化结果。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、一种压电俘能器的拓扑结构优化方法，包括以下步骤：
4、构建压电材料层的模型，所述模型包括结构拓扑组件和极化拓扑组件，所述结构拓扑组件和所述极化拓扑组件均由若干明确几何意义的参数描述的杆件搭接构成，所述结构拓扑组件的结构拓扑设计域和所述极化拓扑组件的极化拓扑设计域是重合一致的，称为设计域；所述结构拓扑组件用于表述所述模型的结构特征，所述极化拓扑组件用于描述所述模型的局部极化特征；当所述结构拓扑组件与所述极化拓扑组件在空间上有重叠部分时，结构拓扑组件上重叠部分和非重叠部分的极化特征分别为正向极化或负向极化；所述设计域除去所述结构拓扑组件所占据的部分为空材料；
5、对所述模型划分网格，进行有限元分析，得到力学指标和电学指标；
6、形成优化列式，所述优化列式包括目标函数、约束函数和设计变量；根据所述目标函数和所述设计变量，计算灵敏度；所述设计变量包括每个所述结构拓扑组件和每个所述极化拓扑组件的几何参数；所述目标函数、所述约束函数和所述灵敏度的计算中，所需要的信息来自所述力学指标、所述电学指标与所述约束条件；
7、优化计算，将所述优化列式及所述灵敏度输入至预设的优化求解器，得到更新后的设计变量与更新后的优化列式；当所述更新后的优化列式中的所述目标函数收敛时，完成优化计算，得到优化后的压电材料层结构；当所述优化列式中的所述目标函数不收敛时，用所述更新后的设计变量中的所述几何参数表示每个所述结构拓扑组件，形成更新后的压电材料层结构，再次进行所述有限元分析，再次形成所述优化列式，以及再次进行所述优化计算，直至所述优化列式中的所述目标函数收敛。
8、实施本专利技术实施例，将具有如下有益效果：
9、本专利技术实施例通过构建结构拓扑组件与极化拓扑组件的两套拓扑组件分别表示压电材料层的结构特征和极化特征，根据结构拓扑组件与极化拓扑组件在空间上有无重叠，将结构拓扑组件上重叠部分和非重叠部分的极化特征分别设为正向极化或负向极化，从而将极化要求与拓扑优化算法进行有机融合，利用两套拓扑优化组件分别完成结构和极化性能的优化。由于结构拓扑组件与极化拓扑组件分别是由若干明确几何意义的参数描述的杆件搭接构成，最后优化得到的即为优化后的且显示极化特性的压电材料层显式结构，且可轻易地将极化组件的几何形状和尺寸考虑进优化设计中。
10、本专利技术对杆件进行优化，所得优化结果的极化特征的几何形状和尺寸满足压电俘能器极化制造要求，优化结果的极化特征不存在中间极化密度，对所得优化结果的极化制造不必逐像素点处理，显著提高制造效率，且得到的直接是优化后的且显示极化特性的压电材料层显式结构，不必进行后处理。
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1.一种压电俘能器的拓扑结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构拓扑组件的拓扑描述函数为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述结构拓扑组件为条形，所述结构拓扑组件的拓扑描述函数为：
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述压电材料层的插值形式为
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述极化拓扑组件的形状为条形，所述极化拓扑组件的拓扑描述函数为
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述极化拓扑组件的形状为圆形，所述第k个极化拓扑组件的拓扑描述函数为
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述优化列式的目的是在所述约束函数的约束下，寻找使所述目标函数最小的所述设计变量；
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在进行优化计算的过程中，当所述极化拓扑组件满足以下条件时，可在所述优化计算过程中删去所述极化拓扑组件，
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述目标函数为其中Πs＝UTKu
10.根据权利要求4或7所述的方法，其特征在于，所述Heaviside函数的表达式为
...【技术特征摘要】
1.一种压电俘能器的拓扑结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构拓扑组件的拓扑描述函数为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述结构拓扑组件为条形，所述结构拓扑组件的拓扑描述函数为：
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述压电材料层的插值形式为
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述极化拓扑组件的形状为条形，所述极化拓扑组件的拓扑描述函数为
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述极化拓扑组件的形状为圆形，所述第k个极化拓扑组件的拓扑描述函...
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