[发明专利]基于KS函数的多组件结构系统布局优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多组件结构系统布局优化设计方法，特别是涉及一种基于KS函数的多组件结构系统布局优化设计方法。

背景技术

参照图1。多组件结构系统这一设计模式涵盖了多数工业产品，如航空航天飞行器、船舶、汽车和机械等。由于其复杂的服役状况和苛刻的性能要求，多组件结构系统的力学性能设计问题在航空航天飞行器结构设计领域尤为突出。由于组件和结构都具有其自身的质量和刚度，因此组件的摆放和结构的构型这两方面布局因素从根本上决定了结构系统的综合力学特性。为了保证飞行器的平衡与稳定性并避免设备或结构的损坏，需要对这两种布局问题进行合理的优化设计，本工作将多组件结构系统的协同布局设计称为整体式结构系统设计。

参照图2-3。文献“Zhu J.H.,Beckers P.Zhang W.H.,On the multi-component layout design with inertial force.Journal of Computational and Applied Mathematics.2010,234(7):2222-2230”公开了一种多组件结构系统布局优化设计方法，这种方法结合了结构拓扑优化技术和装填布局优化技术，实现了一定装填区域内组件的位置布局和支撑连接结构形式同时设计。文献公开了使用有限包络圆法来解决组件干涉问题。对于任意外形轮廓的组件采用有限个包络圆（三维组件为包络球）近似描述该组件的外形，若两个组件之间的任意两个包络圆都不干涉，则这两个组件不干涉。即若有n个组件，第i个组件(i＝1,2,.n..用N_i个包络圆近似，则约束这n个组件不发生干涉需要有个约束方程。

除了组件和组件之间的干涉约束之外，装填布局优化还需要保证组件完全包容在设计区域内部，文献采用半径较大的包络圆对设计区域的多边形边界进行分段近似，此时包容约束同样可以近似采用圆心距离函数来描述。即若有n个组件，第i个组件(i＝1,2,...,n)用N_i个包络圆近似，设计域由M个包络圆近似，则约束这n个组件不发生干涉并包容在设计域内需要有个约束方程。

文献公开的方法虽然能够解决约束组件之间、组件与设计域边界的干涉问题，但是引入了大量约束方程。例如若判断有4个组件、每个组件用4个包络圆近似，设计域用4个包络圆近似的干涉问题，共需要判断160次两个圆的圆心距离与半径和的相对大小（160个约束方程）。如此多的约束方程个数导致拓扑优化问题难以进行或者难以收敛。

发明内容

为了克服现有多组件结构系统布局优化设计方法引入约束方程数量多的不足，本发明提供一种基于KS函数的多组件结构系统布局优化设计方法。该方法将所有组件干涉约束方程整合为一个或者多个约束方程，同时又能保证被整合的约束方程都能满足约束。可以极大的减少多组件结构系统布局优化设计中几何约束即组件干涉约束方程的个数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于KS函数的多组件结构系统布局优化设计方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、通过结构的CAD模型建立有限元模型，将多组件结构有限元模型划分为结构网格、背景网格和组件网格三部分，定义载荷和边界条件。

步骤二、将组件和设计域边界划分包络圆，建立约束方程：