[发明专利]三维箱型结构筋板分布仿生优化设计方法

说明书

本发明涉及一种三维箱型结构筋板分布仿生优化设计方法，包括如下步骤：1、首先根据设计对象的外形尺寸，建立设计用的几何模型，2、根据设计对象的载荷边界条件，选择若干个单元边界作为“种子线”，与“种子线”相连的筋板作为成长的活动筋板；对整个结构进行有限元分析，并对活动筋板进行设计灵敏度分析；3、筋板成长：根据自然界分枝系统成长的机理，即分枝总是沿着使整个系统功能最优的方向和速度成长；4、分歧过程；5、反复进行步骤3和4，直至成长了的筋板总体积达到预定的总体积上限。该方法将三维箱型结构内部的加筋板看成是从一条“种子线”开始成长的分枝，使结构在成长筋板的同时，智能地趋于具有最优机械性能的结构。

技术领域

本发明涉及一种箱型结构设计方法，特别涉及一种针对三维箱型结构筋板分布的仿生优化设计方法。

背景技术

诸如大型桥梁结构、机床的床身、起重机的大梁等工程结构，一般都设计为内部布置有加强筋板的箱体结构，以满足结构强度、刚度和稳定性等设计要求。箱型结构中的筋板能将作用于局部的载荷有效地传递给其它部分，从而增加箱型结构的强度和刚度，使箱型结构具有高刚高强轻质的优点。箱型结构内部筋板的分布是影响结构力学性能的主要因素，因此研究箱型结构内部筋板的合理布局，使结构的综合性能最优是非常必要的。

目前工程中的箱型结构内部筋板分布设计一般为基于材料力学中梁理论的经验设计方法。对于复杂载荷条件下的实际工程结构，经验设计无法得到较优的设计方案。为了满足设计要求，通常采用增加筋板个数和筋板厚度的方法，使得设计的结构质量大，用料多，加工复杂。

发明内容

本发明提出了一种三维箱型结构筋板分布仿生优化设计方法，该方法基于自然界分枝系统形态形成的机理，将三维箱型结构内部的加筋板看成是从一条“种子线”开始成长的分枝，使结构在成长筋板的同时，智能地趋于具有最优机械性能的结构。

本发明的技术方案为：一种三维箱型结构筋板分布仿生优化设计方法，包括如下步骤：

1.首先根据设计对象的外形尺寸，建立设计用的几何模型，该几何模型由面板和内部填充材料组成，其中面板材料和设计对象相同，内部填充材料为一种假设的软性材料，其弹性模量为面板材料的1/1000，采用线性六面体单元对填充材料区域进行离散，由连接六面体单元的节点形成一阶壳单元作为箱形结构的筋板，筋板的初始厚度为T₀，T₀的值很小，忽略其对设计模型的影响；

2.根据设计对象的载荷边界条件，选择若干个单元边界作为“种子线”，与“种子线”相连的筋板作为成长的活动筋板；对整个结构进行有限元分析，并对活动筋板进行设计灵敏度分析；

3.筋板成长：根据自然界分枝系统成长的机理，即分枝总是沿着使整个系统功能最优的方向和速度成长，筋板的厚度按照(1)式进行更新：

式中T_i(i＝1,2,3,…,I)是设计变量，即第i个筋板的厚度。T_i^L和T_i^U是T_i.的上限和下限，A_i为第i个筋板的面积，α为步长因子，G_i由式(2)计算得到，

G_i＝－T_iS_i (2)

其中S_i为第i个筋板的设计灵敏度，χ是拉格朗日乘子，根据式(3)计算得到，

式中，η是体积分数，即最终设计的筋板占材料的百分比；v₀是初始几何模型的体积；