基于连续阶跃参考应力的满应力结构拓扑优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于连续阶跃参考应力的满应力结构拓扑优化设计方法：在结构的高应力区硬化材料，在低应力区软化材料。以一种可连续阶跃变化的参考应力作为评判标准，通过局部寻优和全局寻优两个寻优循环，避免寻优过程中的早熟现象，使结构的应力分布逐步趋优。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种结构设计技术，特别涉及一种。
技术介绍
结构拓扑优化是指寻求结构材料分布的最优拓扑形态，以优化结构的某些性能或减轻结构的重量。结构拓扑优化已发展100多年，大体分为解析方法和数值方法。解析法应用经典的数学理论进行求解，不便于在工程实际中直接应用。近几十年来，由于计算机在结构分析中的普遍应用促使了结构优化数值方法的迅猛发展，它主要分为两大类一类是可解决各类结构的尺寸、形状及拓扑优化，但计算效率和通用性并不理想的均勻化方法(homogenization method)；另一类是以渐进结构优化方法(evolutionary structural optimization)为代表的启发性优化算法，它的特点是在宏观的角度上对结构材料分布进行设计，计算效率高，通用性好，能得到近似最优解。在工程实际中，近似最优解通常被广泛采纳，因此这一类算法具有良好的发展前景。本专利技术提出的结构拓扑优化方法基于“软杀”技术(SK0 :soft kill option)，其基本原理是逐渐“软化”低应力的材料，“硬化”高应力的材料，使经过优化后的结构应力水平变得更均勻。它最初由德国Karlsruhe研究中心提出，基本原理如下假定结构由不同的材料组成，将每个单元的弹性模量作为参数来改变结构的拓扑形态。材料的弹性模量被定义为温度的函数，即随着温度的升高，弹性模量变小，材料被“软化”，当材料“软”到一定程度，可认为材料被删除；同时随着温度的降低，材料的弹性模量变大，材料被“硬化”。温度 r和弹性模量A间的关系可假设为线性关系，此处的温度没有物理意义，仅是单元弹性模量改变的控制器。目前，国内外对SKO方法的研究大体上分为两种，一是采用以体积率作为删除准则的方法，二是以参考应力作为材料删除准则的方法。前者通过多次删除一定的体积使优化结果收敛于目标体积，每次删除过程中将体积率对应的应力值作为删除标准逐渐软硬化材料。这种方法由于体积率对应的应力值求取困难，运算耗时长。后者通过分析寻优迭代过程中的结构应力分布选择一参考应力，如果某节点的应力大于参考应力，则节点温度降低， 材料的弹性模量增大，材料被“硬化”;否则节点温度升高，材料被“软化”。参考应力的选取通常为结构的平均应力等与结构迭代过程中材料分布相关的应力。这种方法参考应力选取简单，运算耗时短。然而不同的参考应力对优化结果影响较大，若参考应力取值过大会导致过删除，过小会导致寻优过程效率低，甚至因材料无法继续删除，导致迭代过早收敛，得不到最优解。
技术实现思路
本专利技术是针对现在结构拓扑优化存在的问题，提出了一种，通过局部寻优和全局寻优的两个寻优循环，避免在以参考应力作为删除准则的结构拓扑优化方法中的早熟现象，使结构的应力分布状态逐步趋优。本专利技术的技术方案为一种，具体包括如下步骤1)建立结构的力学模型，进行有限元网格划分。根据设计要求设置设计区域，初始化设计参数和材料参数；2)令循环次数权利要求1. 一种，其特征在于，具体包括如下步骤1)建立结构的力学模型，进行有限元网格划分，根据设计要求设置设计区域，初始化设计参数和材料参数；2)令循环次数全文摘要本专利技术涉及一种在结构的高应力区硬化材料，在低应力区软化材料。以一种可连续阶跃变化的参考应力作为评判标准，通过局部寻优和全局寻优两个寻优循环，避免寻优过程中的早熟现象，使结构的应力分布逐步趋优。文档编号G06F17/50GK102222150SQ20111019393公开日2011年10月19日 申请日期2011年7月12日 优先权日2011年7月12日专利技术者丁晓红, 侯剑云 申请人:上海理工大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于连续阶跃参考应力的满应力结构拓扑优化设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：１）建立结构的力学模型，进行有限元网格划分，根据设计要求设置设计区域，初始化设计参数和材料参数；２）令循环次数ｉ＝１，ｊ＝１；３）进行结构线性静力有限元分析，提取节点应力；４）计算连续阶跃参考应力σ（ｉ，ｊ）ｒｅｆ，计算公式为：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　，其中ζ（ｉ，ｊ）为第ｉ阶寻优过程中第ｊ次迭代的权重系数，σ（ｉ）ａｖｅ是第ｉ阶寻优过程中第１次迭代时结构的平均应力，权重系数ζ（ｉ，ｊ）计算公式如下：，其中ζ０（ｉ）为第ｉ阶寻优权重系数初值，α为常数，取０．１，Δζ为权重系数增量，由该式计算的权重系数连续阶跃变化，最大值不得超过规定的权重系数上限ζｍａｘ；５）根据结构局部应力更新局部温度，公式为；，式中上标ｉ，ｊ表示第ｉ阶寻优过程中第ｊ次迭代，Ｔｎ（ｉ，ｊ）为在第ｉ阶寻优过程中第ｊ次迭代时ｎ节点的温度；σｎ（ｉ，ｊ－１）为第ｉ阶寻优过程第ｊ－１次迭代时ｎ节点的应力；σ（ｉ，ｊ）ｒｅｆ为第ｉ阶寻优过程中第ｊ次迭代的连续阶跃参考应力，由步骤４）计算；ｓ为步长因子，为根据第ｉ阶寻优过程第ｊ－１次迭代时的节点温度Ｔｎ（ｉ，ｊ－１）确定的温度参考值，变化区间为（０，１００）：当Ｔｎ（ｉ，ｊ－１）超过１００时，强制为１００；当Ｔｎ（ｉ，ｊ－１）小于０时，强制为０；当Ｔｎ（ｉ，ｊ－１）在０－１００之间时，则为Ｔｎ（ｉ，ｊ－１）；６）根据局部温度更新局部材料的弹性模量，更新方法为：当Ｔｎ（ｉ，ｊ）在０～１００之间时，材料弹性模量随温度的升高而线性减小；如果Ｔｎ（ｉ，ｊ）≤０，则Ｅ＝Ｅｍａｘ，Ｅｍａｘ为所选用材料的弹性模量，用以模拟固体区域；当Ｔｎ（ｉ，ｊ）≥１００时，则Ｅ＝Ｅｍｉｎ，Ｅｍｉｎ为Ｅｍａｘ／１０００；７）计算结构的体积变化量，确定是否达到局部最优，当结构前后两次迭代的体积变化大于给定的局部体积容差ε１时，为未达到局部最优状态，继续本次局部寻优，更新　ｊ＝ｊ＋１，返回步骤３）；否则为局部最优，本次局部寻优结束，向下执行；８）更新ｉ＝ｉ＋１、ｊ＝１，返回步骤３），直到满足全局寻优终止条件，即当结构前后两次迭代的体积变化小于给定的全局体积容差ε时，则得到最终的优化结果。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁晓红，侯剑云，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31