一种基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，所述盘型飞轮为匀质材料，所述设计方法，包括以下步骤：对盘型飞轮初始设计域进行有限元网格划分，并给定结构的目标体积、体积进化率和滤波半径；对该飞轮结构进行有限元分析并计算各单元的应力敏度数；得到本次迭代的敏度数和下次迭代的结构目标体积；删添单元直至目标体积及收敛条件同时得到满足。通过本发明专利技术可以合理指导实际的飞轮优化设计，以保证一定强度的基础上减小飞轮的质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械行业储能结构设计
，尤其涉及一种均质材料盘型飞轮结构拓扑优化设计方法。
技术介绍
结构优化不仅可以有效改进现有结构，而且还可以为超出设计者经验的概念设计提供重要的、有价值的理论指导。结构拓扑优化以材料分布为优化对象，在材料均匀分布的设计空间中搜寻最佳的分布方案。拓扑优化是结构优化问题的高级阶段，其难度要远高于尺寸优化和形状优化，但随着计算机计算能力的提升及有限元技术的发展，结构拓扑优化技术不仅成为了可能，并且已经逐渐发展起来。目前，具有代表性的拓扑优 化方法主要有均勻化(Homogenization)方法、SIMP (Solid Isotropic Material withPenalization)方法、水平集(level set)方法、渐进结构优化(Evolutionary StructuralOptimization, ES0)方法及 ICM(Independent Continuous Method)方法等。与其它几种方法相比，渐进结构拓扑优化方法具有概念简单、收敛快、边界清晰、易于实现的特点，目前，在工程设计中得到了越来越广泛的应用。对于均质材料盘型飞轮，在一定的约束条件下，仅靠形状优化往往不能得到最为经济实用的飞轮结构，如生活中常见的辐板式、辐条式盘型飞轮是不能通过形状优化得到的。对于辐板或辐条式飞轮，“洞”挖在什么位置、挖什么形状才能使结果最优？这就涉及到了结构拓扑优化问题。因此，针对传统飞轮设计方法存在的问题和不足，对飞轮结构进行拓扑结构优化，以降低飞轮重量，提高飞轮性能，具有实际的指导意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提出一种针对盘型飞轮结构的收敛更快、更易于实现的拓扑优化方法。为解决上述问题，本专利技术采用以下的技术方案一种基于双向渐进结构拓扑优化(Bi-directional Evolutionary StructuralOptimization, BES0)的飞轮优化设计方法,其特征在于,步骤为(I)对飞轮初始设计域进行有限元网格划分，并给定结构的目标体积V*、体积进化率和滤波半径；(2)对飞轮结构进行有限元分析，计算各单元的应力敏度数以及本次迭代的敏度数；(3)确定下次迭代的结构目标体积；假设结构设计的目标体积为已给定结构的目标体积则在拓扑优化过程中，单元的删添可按照结构剩余体积V是否满足目标体积V*进行控制；(4)重复步骤(2广(3)，直至目标体积Ψ及收敛条件式同时得到满足。所述步骤(I)中采用应力均方差作为双向渐进结构拓扑优化算法的性能判断指标，通过将实和空单元按敏度数大小统一排队的办法，实现了单元删添的同步进行。所述步骤(2)中采用敏度滤波方法有效改善BESO算法的拓扑优化结果。在所述步骤(2)中采用的敏度滤波方法包括如下步骤首先，将第i个单元各节点处的敏度数求平均，以此平均值为该单元的敏度数权利要求1.，其特征在干，步骤为 (1)对飞轮初始设计域进行有限元网格划分，并给定结构的目标体积V*、体积进化率和滤波半径； (2)对飞轮结构进行有限元分析，计算各単元的应カ敏度数以及本次迭代的敏度数； (3)确定下次迭代的结构目标体积；假设结构设计的目标体积为已给定结构的目标体积ず，则在拓扑优化过程中，単元的删添可按照结构剩余体积V是否满足目标体积ず进行控制； (4)重复步骤(2广(3)，直至目标体积ず及收敛条件式同时得到满足。2.根据权利要求I所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于所述步骤(I)中采用应力均方差作为双向渐进结构拓扑优化算法的性能判断指标，通过将实和空単元按敏度数大小统ー排队的办法，实现了单元删添的同步进行。3.根据权利要求I或2所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于所述步骤(2)中采用敏度滤波方法有效改善BESO算法的拓扑优化結果。4.根据权利要求3所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于在所述步骤(2)中采用的敏度滤波方法包括如下步骤 首先，将第i个单元各节点处的敏度数求平均，以此平均值为该単元的敏度数5.根据权利要求4所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于对于四边形单元N = 4,对于六面体单元N = 8。6.根据权利要求4所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于权重因子w(ru)按下式计算W(Aj) = ^inTij., j = 1，2，...，K 式中为圆形区域内第j个单元的质心到单元i的质心的距离。7.根据权利要求4-6之一所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在干为了保证迭代过程具有更好的收敛性，再进行一次历史迭代求平均敏度数，即8.根据权利要求1-7之一所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于所述步骤(3)中，当剰余体积V大于目标体积V*吋，BESO算法主要以删除单元为主，以减小V使其逐渐满足目标体积ず，但优化过程中，高敏度数的空単元依然能够被转换成实单元添加到结构中；当剰余体积V小于目标体积ず吋，BESO算法主要以添加単元为主，以增大V使其逐渐满足目标体积ず，但是低敏度数的实单元的依然能够从结构中删除。9.根据权利要求8所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于进化过程中，结构的体积表示为 Vk+1 = Vk(l±ER)， (k=l，2，3，…) 式中，ER为体积进化率；k为迭代次数。10.根据权利要求9所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于一旦结构体积Vk达到了目标体积r,结构的体积将被保持为r不变；通过步骤(3)得到各単元的敏度数a i后，将所有实单元和空単元按照敏度数的大小从高到低或从低到高进行排队；假设删除阀值和添加阀值分别为、On- ,a%, <a%d，则对于满足a,的实单元进行删除操作，即变为空単元，对于满足> ム的空单元进行添加操作，即变为实单元；阀值a=、al的确定按下面的步骤计算 1)对于第k次迭代，若已排好队的所有単元中，前面M1个单元的体积和等于Vk+1，若第M1+l个单元敏度数为a th，则ぬ=ath; 2)计算满足％> 的空単元的体积AR，若AR小于预先设定的最大添加体积AR_，则跳过第3)步，否则，转第3)步，重新计算《1、ald 3)将所有空単元按敏度数从大到小的顺序排队，若前面Mtl个空单元的体积和等于ARmax，则将第M0+l个空单元的敏度数设为;为了保证第k+1次迭代的体积Vk+1，同理，可通过删除単元体积和等于(Vk-Vk+1+AR_)的方法来确定。全文摘要本专利技术公开了，所述盘型飞轮为匀质材料，所述设计方法，包括以下步骤对盘型飞轮初始设计域进行有限元网格划分，并给定结构的目标体积、体积进化率和滤波半径；对该飞轮结构进行有限元分析并计算各单元的应力敏度数；得到本次迭代的敏度数和下次迭代的结构目标体积；删添单元直至目标体积及收敛条件同时得到满足。通过本专利技术可以合理指导实际的飞轮优化设计，以保证一定强度的基础上减小飞轮的质量。文档编号G06F17/50GK102760183SQ201本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于，步骤为：（1）对飞轮初始设计域进行有限元网格划分，并给定结构的目标体积V*、体积进化率和滤波半径；（2）对飞轮结构进行有限元分析，计算各单元的应力敏度数以及本次迭代的敏度数；（3）确定下次迭代的结构目标体积；假设结构设计的目标体积为已给定结构的目标体积V*，则在拓扑优化过程中，单元的删添可按照结构剩余体积V是否满足目标体积V*进行控制；（4）重复步骤(2)~(3)，直至目标体积V*及收敛条件式同时得到满足。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙光永，李光耀，闫晓磊，毛丽臣，徐峰祥，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：