本发明专利技术属于航空航天技术领域，公开了一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，包括以下步骤：S1、选择需要优化的结构，并确定载荷类型；S2、建立有限元模型，并进行网格划分；S3、赋予材料参数，并施加边界条件和载荷；S4、确定双向渐进结构优化方法的优化参数；S5、进行有限元分析，计算灵敏度；S6、计算当前迭代步的进化率，并确定更新后的结构体积；S7、进行单元与结构的更新，并采用材料插值模型重新赋予材料参数；S8、判断是否满足收敛标准和约束条件，若不满足，则返回步骤S5；若满足，则结束优化并输出模型；本发明专利技术在保证较好收敛性能的条件下，减少了拓扑所需的迭代步数，提高了优化效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空航天，尤其涉及一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法。
技术介绍
1、拓扑优化是在给定的负载、约束和性能指标的条件下，在设计区域内寻找材料的最优分布的结构优化方法，被广泛应用于航空航天等领域。双向渐进结构优化方法是目前应用广泛的拓扑优化设计方法之一，但传统的双向渐进结构优化方法使用固定的进化率，如果选择的进化率较小，会导致迭代步数增加，优化效率降低，若使用较大的进化率，可能会导致结构不收敛的情况。
2、拓扑优化设计域的载荷可分为设计相关载荷和非设计相关载荷，对于设计相关载荷，其特点为与结构相耦合，随着结构的改变，载荷也会发生变化，如自重，离心载荷等。而对于非设计相关载荷，其特点为不随结构变化而变化，在优化过程中始终固定。而航空发动机的零件如涡轮盘主要承受离心载荷的影响，未考虑设计相关载荷会导致误差较大，以及结构不合理的问题。
3、因此，有必要提供一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，在保证计算精度的同时能减少优化所需的迭代步数，提高优化的效率。
技术实现思路
1、本专利技术公开了一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，该方法考虑了载荷的设计相关性，利用变化函数确定进化率，保证较好收敛性能的条件下，减少了拓扑所需的迭代步数，提高了优化效率，其可以有效解决
技术介绍
中涉及的技术问题。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
3、一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，包括以下步骤：
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p>4、s1、选择需要优化的结构，并确定载荷类型；5、s2、建立有限元模型，并进行网格划分；
6、s3、赋予材料参数，并施加边界条件和载荷；
7、s4、确定双向渐进结构优化方法的优化参数；
8、s5、进行有限元分析，计算灵敏度；
9、s6、计算当前迭代步的进化率，并确定更新后的结构体积；
10、s7、进行单元与结构的更新，并重新赋予材料参数；
11、s8、判断是否满足收敛标准和约束条件，若不满足，则返回步骤s5；若满足，则结束优化并输出模型。
12、一种结构优化算法，步骤具体为：1)选择优化结构并分析载荷类型；2)对模型进行简化，建立该结构的有限元模型(可使用平面四节点矩形网格对结构进行划分)，划分设计区域和非设计区域；3)赋予材料属性，施加边界条件和载荷；4)确定惩罚因子，过滤半径等相关双向渐进结构优化方法的优化参数；5)对结构进行有限元分析，根据施加的载荷类型，选择灵敏度的计算公式求出单元灵敏度；6)由变化函数确定当前迭代过程的进化率，计算该迭代步中更新后的结构体积，并进行单元的更新；7)采用材料插值模型对更新后的单元重新赋予材料属性；8)更新有限元模型，并判断是否满足约束条件和收敛条件，若符合则结束优化，否则返回第5)步；本专利技术考虑了载荷的设计相关特性，实现了外载荷和设计相关载荷下的结构的拓扑优化，采用变化函数确定进化率，在保证计算精度的同时减少了优化所需的迭代步数，提高了优化的效率。
13、作为本专利技术的一种优选改进：所述载荷类型包括设计相关载荷和外载荷，设计相关载荷包括重力载荷和离心载荷；确定载荷类型时，忽略数量级相差大，且对结果影响小的载荷。具体的，选择需要优化的结构，通过实验或查询资料分析其主要载荷类型，然后选择主要的载荷，包括设计相关载荷和外载荷，并忽略数量级相差较大、对结果影响较小的载荷，可根据实际情况来确定，一般来说，若载荷数量级相差103可以忽略不计。
14、作为本专利技术的一种优选改进：所述步骤s2中，还进行设计区域和非设计区域的选择，非设计区域一般指不进行优化但是必须参与整体分析的部分，通常为一些连接处，或者特定功能的孔洞部分。
15、作为本专利技术的一种优选改进：所述步骤s3中，材料参数包括杨氏模量、密度和泊松比；所述步骤s4中，优化参数包括过滤半径、惩罚因子、最大迭代步数、体积约束和收敛判断。过滤半径根据经验确定，一般要大于1.5，惩罚因子选取范围为5-120，也是根据经验定，有数据表明取5-8效果比较好。最大迭代步数根据实际情况确定，结构复杂步数可以多一些，结构简单步骤可以少一些。体积约束指后面优化后的总体积的限制，可以根据实际需要选择，若原结构总体积为1，想实现减重30％，则设置0.7，一般来说在0-1之间，收敛判断一般选择为0.001。
16、作为本专利技术的一种优选改进：所述步骤s5中，在目标函数和约束条件下计算灵敏度，目标函数为结构的平均柔度最小，约束条件为体积约束；
17、建立的优化模型如下：
18、
19、其中，下标i表示单元的序号，i＝1、2、3…n，x为设计变量的集合，xi为第i个单元的结构设计变量，取值为1或者设置的最小值xmin，c(x)为目标函数，即结构的柔度，ft为力矩阵的转置，u为位移矩阵，v*为目标体积，vi为第i个单元的体积；
20、若施加的载荷为外载荷，则灵敏度计算公式为：
21、
22、其中，下标i表示单元的序号，i＝1、2、3…n，αi为第i个单元的灵敏度，q为惩罚因子，c为结构的平均柔度，xi为第i个单元的结构设计变量，为第i个单元的结构刚度矩阵，ui为第i个单元的结构位移矢量，为第i个单元的结构位移矢量的转置矩阵；
23、当施加的载荷为重力载荷和离心载荷等与设计结构相关的载荷，这类载荷的特点是载荷的大小、方向、有无与结构相关；
24、若施加的载荷为离心载荷，则灵敏度计算公式为：
25、
26、其中，ω为施加的转速，ri为第i个单元的旋转半径，vi为第i个单元的体积，ρ0为初始密度，为力的方向矩阵；
27、若施加的载荷为重力载荷，则灵敏度计算公式为：
28、
29、其中，g为重力加速度。
30、作为本专利技术的一种优选改进：所述步骤s6中，通过变化函数计算进化率和更新后的结构体积；
31、第k次迭代的进化率为：
32、
33、则第k次迭代后的体积为
34、其中，srk为当前第k次迭代步的进化率，srmax为设置的最大进化率，srmin为设置的最小进化率，s(y)为变化函数，s1、s2为设置的控制参数，y为当前的体积与原体积比，v为设置的体积约束，vk为第k次迭代后的体积，vk-1为第k-1次迭代后的体积，v*为目标体积。该函数可将每次叠加的进化率限制在设置的最大进化率和最小进化率之间，并且随着当前的体积分数进行改变。
35、作为本专利技术的一种优选改进：所述步骤s7中，通过灵敏度进行单元与结构的更新，采用材料插值模型重新赋予材料参数，材料的插值模型如下，
36、
37、其中，下标i表示单元的序号，i＝l、2、3…n，ρ(xi)为第i个单元的密度，xi为第i个单元的结构设计变量，ρ0为初始密度，e(xi)为第本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤S1中，载荷类型包括设计相关载荷和外载荷，设计相关载荷包括重力载荷和离心载荷；
3.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤S2中，还进行设计区域和非设计区域的选择。
4.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤S3中，材料参数包括杨氏模量、密度和泊松比；
5.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤S5中，在目标函数和约束条件下计算灵敏度，目标函数为结构的平均柔度最小，约束条件为体积约束；
6.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤S6中，通过变化函数计算进化率和需要更新的单元数目；
7.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤S7中，采用材料插值模型重新赋予材料参数，插值模型如下，
8.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤S8中，判断目标函数是否满足收敛标准和约束条件，目标函数为结构的平均柔度最小，约束条件为体积约束，收敛标准是前后五次结构的平均柔度变化量不大于设定值，如下式：
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【技术特征摘要】
1.一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤s1中，载荷类型包括设计相关载荷和外载荷，设计相关载荷包括重力载荷和离心载荷；
3.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤s2中，还进行设计区域和非设计区域的选择。
4.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤s3中，材料参数包括杨氏模量、密度和泊松比；
5.根据权利要求1所述的一种可用于航空航天结构的双向渐进结构优化算法，其特征在于：所述步骤s5中，...
【专利技术属性】
技术研发人员：任毅如，孟子皓，金其多，邓亚斌，黎理知，杨宏源，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
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