【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算机辅助工程中的结构优化设计领域，具体涉及一种基于无网格迦辽金法(element-free galerkin method,efgm)和风格迁移(neural style transfer,nst)的多材料结构拓扑优化方法。
技术介绍
1、拓扑优化能够保证结构力学性能的同时有效降低生产成本，在工程领域具有广泛的应用场景。以往拓扑优化中多采用单一材料，设计的结构难以承受复杂外部载荷，而多材料拓扑设计能够在更广阔的设计空间内探索结构的优化可能性，通过灵活选择多种不同属性的材料，并在结构中精准布局，实现综合性能更强的结构设计。这种设计方式能够去除低效材料，还能更好地发挥每种材料的特性，从而在不增加重量或成本的前提下，显著提升结构的力学性能、刚度及耐用性。此外，多材料结构拓扑优化还具有更高的设计自由度和更好的灵活性，通过不同材料的组合和优化，能够充分挖掘材料的潜能，实现结构性能的进一步突破。
2、目前，结构拓扑优化中通常采用基于网格的数值计算方法实现结构性能分析，如有限元法(finite element method,fem)、有限体积法(finite volume method,fvm)和有限差分法(finite difference method，fdm)等。这类基于网格的计算方法容易受到畸形网格的影响，导致数值不稳定，在拓扑优化中反映为棋盘格现象，中间密度，目标函数收敛困难等。无网格方法通过影响域内的节点构建形函数，使其在处理复杂的几何形状和边界条件时，能够更灵活地生成高阶形函数。这种高阶形函数具有更高
3、传统的拓扑优化方法重点考虑了结构的力学性能，对于考虑美学的各种设计，通常采用手动后处理或简单地更改拓扑设计参数。这种依赖人工后处理的方法耗时耗力，可能效果不佳，并且拓扑优化中很难整合现有的设计风格和元素。风格迁移技术(neuralstyle transfer,nst)是一种基于深度学习的图像处理方法，它通过卷积神经网络将一张图像的风格特征应用到另一张图像上，在保持内容图像结构的同时，将风格图像的纹理和色彩特征融入内容图像中，从而生成具有指定风格的图像。拓扑优化旨在通过优化材料分布来提升结构的性能，而风格迁移技术可以将特定的设计风格转化为优化目标。这种结合允许设计师在拓扑优化的过程中引入视觉美学的指导，使得最终的结构不仅在性能上达到最优，还能具备独特的外观和风格。风格迁移技术的引入，为拓扑优化提供了一种新的视角和方法，推动了工程设计在美学和功能上的双重进步。
4、在传统拓扑优化中，由于优化算法追求极致的材料分布，可能导致生成的结构包含过于细小的特征或不实际的几何形状，这些结构在实际制造中往往难以实现，并且过小的结构特征可能会导致局部应力集中或材料不足，从而影响结构的整体性能和安全性。长度尺度控制技术是一种用于优化拓扑结构设计的策略，其核心目的是控制优化过程中结构特征的最小尺寸。该技术通过引入长度尺度参数，确保在优化过程中生成的结构具有适当的几何特征，避免出现过小的结构细节，能够有效解决拓扑优化中常见的结构过度细化问题，从而提高结构设计的实用性和制造性。
技术实现思路
1、随着科技的不断发展，人们在关注产品结构性能的同时对其美学特征的需求也不断提高，从传统机械机构设计(航空航天、交通运输、电子器件等)到建筑设计等领域。传统的拓扑优化方法能够保证结构的良好力学性能，但是对于结构的美学特征需要依赖人工后处理，这一过程耗时耗力，可能效果不佳。为解决基于常见拓扑优化方法获得的拓扑结构易出现锯齿、棋盘格和中间密度等数值不稳定现象，同时使拓扑结构具有良好的艺术气息。本专利技术提出一种基于无网格efgm和nst的多材料结构拓扑优化方法，利用无网格efgm节点离散设计域，无网格efgm节点相对密度为设计变量，体积分数为约束条件，将无网格efgm得到的拓扑结果转化为图像作为vgg-19网络模型的输入，计算其与参考风格图像之间的差异。然后将无网格efgm方法得到拓扑结构柔度和神经网络损失函数作为优化目标，建立基于无网格efgm和nst的多材料结构的拓扑优化数学模型。编写算法的计算机程序，在不同内容和风格权系数和长度尺度控制参数下进行拓扑优化设计，输出其最优拓扑结构。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：基于无网格efgm和nst的多材料结构拓扑优化方法，利用无网格efgm离散结构的静力学控制方程。并结合风格迁移技术，将无网格efgm得到的拓扑结构转化为图像，作为风格迁移的网络输入，计算其与参考风格图像之间的差异作为网络损失函数，将拓扑结构柔度和损失函数最小化实现具有艺术风格的拓扑机构设计。通过调整风格迁移中内容和风格的权重系数控制拓扑结构的艺术风格，通过调整尺度控制参数控制拓扑结构中的最小尺度。
3、本专利技术所述技术方案的具体实施步骤如下：
4、(1)根据实际工程结构的设计要求，确定结构的初始设计域、材料体积约束η，材料种类q，无网格efgm初始设计密度场ρ，拓扑结构的内容和风格权系数wc和ws，设置材料的弹性模量e1、泊松比v12、剪切模量g12、泊松比因子bt、材料方向角θ，给定设计域边界条件和载荷大小，根据设计域的无网格efgm节点信息、背景网格和给定的边界条件，获得设计域的高斯点信息；
5、(2)基于无网格efgm计算系统刚度矩阵和载荷向量：(a)根据设计域内施加的力载荷大小确定设计域的无网格efgm整体力载荷向量；(b)根据给定的力和位移边界条件，对各类力和位移边界条件进行处理，其中采用罚函数法处理位移边界，得到无网格efgm整体力刚度矩阵惩罚项和无网格efgm整体力载荷向量惩罚项；(c)根据材料力学性能计算材料的弹性矩阵其中，以及分别为材料坐标系中第i种材料在x,y方向上的弹性模量及泊松比，且满足关系式根据无网格efgm节点相对密度分布函数组装设计域的无网格efgm整体刚度矩阵，建立结构静力学问题的无网格efgm离散控制方程；
6、(3)对设计密度场进行长度尺度控制：(a)对无网格efgm设计密度场ρ过滤得到无网格efgm过滤密度场式中vl表示第l个无网格efgm节点的体积，权系数||xk-xl||表示第k个无网格efgm节点和第l个无网格efgm节点之间的距离，dfil是过滤直径；(b)随后根据过滤密度场计算物理密度场β表示投影陡度，μ表示阈值；(c)计算尺度控制域内物理密度场平均密度其中w(k,l)＝h(dmin-2||xk-xl||)，dmin表示长度尺度控制直径，h(·)表示heaviside函数；(d)根据平均密度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于无网格EFGM和风格迁移的多材料结构拓扑优化方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于无网格EFGM和风格迁移的多材料结构拓扑优化方法，其特征在于对设计密度场进行长度尺度控制：(a)对无网格EFGM设计密度场ρ过滤得到无网格EFGM过滤密度场式中vl表示第l个无网格EFGM节点的体积，权系数||xk-xl||表示第k个无网格EFGM节点和第l个无网格EFGM节点之间的距离，dfil是过滤直径；(b)随后根据过滤密度场计算物理密度场式中，β表示投影陡度，μ表示阈值；(c)计算尺度控制域内物理密度场平均密度其中w(k,l)＝H(dmin-2||xk-xl||)，dmin表示长度尺度控制直径，H(·)表示Heaviside函数；(d)根据平均密度计算加权密度的和以及近似最大平均密度p1是指数因子(e)然后计算计算尺度控制聚合函数其中p1是指数因子，N是设计域中的无网格EFGM节点数，ξ是用于尺度控制的松弛因子。
3.根据权利要求1所述基于无网格EFGM和风格迁移的多材料结构拓扑优化方法，其特征在于将基于无网格EFGM的物理密度场构建的拓扑
4.根据权利要求1所述基于无网格EFGM和风格迁移的多材料结构拓扑优化方法，其特征在于采用VGG-19网络提取图像image1的像素特征，计算图像image1的像素特征与提取的参考图像imgRef的内容和风格像素特征之间的差异，分别为内容损失Lc和风格损失Ls；将内容损失和风格损失乘以对应的权重系数wc和ws得到网络模型的总损失Loss＝wcLc+wsLs；计算物理密度场对神经网络参数w和b的梯度并输出参数。
5.根据权利要求1所述基于无网格EFGM和风格迁移的多材料结构拓扑优化方法，其特征在于基于交替活跃相算法(alternating active-phase algorithm,AAPA)计算多材料结构的密度分布：(a)定义材料固定相a和激活相b,其中遍历a相材料的取值，其变化范围为[1,q]，子循环中遍历b相材料，变化范围为[a+1,q]；(b)根据步骤2(a)确定的无网格EFGM整体力载荷向量和步骤2(b)罚函数法处理所得的无网格EFGM整体力刚度矩阵惩罚项和无网格EFGM整体力载荷向量惩罚项，求解设计域内无网格EFGM节点的位移参数值；依据设计域内无网格EFGM节点的位移参数值求解各无网格节点的位移值以及系统柔度C；(c)计算a,b两种材料对应的柔度对设计变量的灵敏度Ca和Cb，计算柔度差C1＝Ca-Cb及其对a相材料过滤密度场的灵敏度dc，以及体积灵敏度dva；(d)计算对a相材料过滤密度场的导数(e)计算当前a相材料的体积与目标体积之间的差值Vdiff_a，将Vdiff_a作为体积约束项；将VGG-19网络输出参数乘以权重系数wL得到风格约束项Sdiff_a；(f)使用移动渐近线算法(Method of Moving Asymptotes，MMA)更新a相材料物理密度场将系统柔度C作为优化目标，体积约束项Vdiff_a和风格约束项Sdiff_a作为约束函数；(g)计算b相材料物理场相对密度
...【技术特征摘要】
1.基于无网格efgm和风格迁移的多材料结构拓扑优化方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于无网格efgm和风格迁移的多材料结构拓扑优化方法，其特征在于对设计密度场进行长度尺度控制：(a)对无网格efgm设计密度场ρ过滤得到无网格efgm过滤密度场式中vl表示第l个无网格efgm节点的体积，权系数||xk-xl||表示第k个无网格efgm节点和第l个无网格efgm节点之间的距离，dfil是过滤直径；(b)随后根据过滤密度场计算物理密度场式中，β表示投影陡度，μ表示阈值；(c)计算尺度控制域内物理密度场平均密度其中w(k,l)＝h(dmin-2||xk-xl||)，dmin表示长度尺度控制直径，h(·)表示heaviside函数；(d)根据平均密度计算加权密度的和以及近似最大平均密度p1是指数因子(e)然后计算计算尺度控制聚合函数其中p1是指数因子，n是设计域中的无网格efgm节点数，ξ是用于尺度控制的松弛因子。
3.根据权利要求1所述基于无网格efgm和风格迁移的多材料结构拓扑优化方法，其特征在于将基于无网格efgm的物理密度场构建的拓扑结构转换为rgb图像image1；定义用于提取图像风格样式的参考图像imgref，采用vgg-19网络提取参考图像imgref的内容和风格特征。
4.根据权利要求1所述基于无网格efgm和风格迁移的多材料结构拓扑优化方法，其特征在于采用vgg-19网络提取图像image1的像素特征，计算图像image1的像素特征与提取的参考图像imgref的内容和风格像素特征之间的差异，分别为内容损失lc...
【专利技术属性】
技术研发人员：张建平，张志强，吴世雄，陈嘉宏，龚曙光，吴淑英，左志坚，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：
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