[发明专利]一种实现多样性设计的结构拓扑优化方法

说明书

本发明涉及工程结构优化设计领域，提供一种实现多样性设计的结构拓扑优化方法。所述方法包括：利用结构拓扑优化实现结构概念设计；提出多样性设计求解方法获得若干多样性满足初始设计要求的概念设计构型，包括：引入加权目标函数和提出多样性约束，其中多样性约束能够描述拓扑构型之间的差异并驱动优化获得多个多样性构型；评价各个概念构型的在详细设计要求下的性能表现，筛选满足设计需求的概念设计构型，通过形状优化和参数优化对概念设计构型进行详细的设计。本发明能够获得若干具有多样性的初始设计，减少初始设计方案由于无法满足后续设计要求而被迫放弃的风险，大大减少设计迭代次数和设计时间。

技术领域

本发明涉及工程结构优化设计领域，尤其涉及一种实现多样性设计的结构拓扑优化方法。

背景技术

结构优化设计的目的在于为工程师提供高效、可靠、系统的最优结构优化设计策略，改变传统的产品设计流程,寻求既安全又经济的结构形式。优化驱动的产品设计过程给予产品设计工程师最有效的设计帮助，大大节省时间和费用，提高产品性能。结构优化设计已经被汽车、船舶、航空航天、机械制造等领域广泛接纳并采用。

结构优化设计一般分为三个层次：尺寸优化、形状优化、拓扑优化。尺寸优化、形状优化对应结构的详细设计阶段。相对于尺寸优化和形状优化，拓扑优化具有更多的设计自由度，更大的设计空间，更好的优化效果。连续体拓扑优化的理论方法在工程设计中逐渐成为初始概念设计的重要工具。在这其中使用最为广泛的拓扑优化方法是以SolidIsotropic Material with Penalization(SIMP)方法为代表的变密度方法。

拓扑优化问题通常是非凸问题，存在许多局部最优解，寻找拓扑优化的最优解一直是学术界所关心的问题。然而在实际工程问题中，耗费大量资源求解单一“最优解”未必是拓扑优化设计的主要目的。由于拓扑优化往往作为概念性阶段的设计工具，为后续的形状和尺寸优化提供可试探的初始设计构型，所以，在实际设计中迫切的需要能基于拓扑优化给出若干个满足要求的初始设计构型的方法。因为不同的初始设计会更加丰富设计人员对产品设计的认识，引导设计人员获得不同的精细设计方案。

更重要的是，在设计初期阶段，设计人员无法全面的认知整个产品设计需求，往往采用较为简单的结构模型和简化过的数学模型：最小化柔顺性做为优化目标，结构体积作为约束条件；最小化结构重量作为优化目标，单元应力作为约束条件；最大结构自振频率作为优化目标。而在后续精细设计阶段，随着分析模型的逐步细化、设计需求逐步明确，往往会增加一些其他的设计目标和约束。当进入后续精细设计阶段时，我们前期耗费大量资源基于拓扑优化方法所获得的单一“最优解”可能无法被采用。因此，我们希望能在初始设计阶段得到多个不同的优化设计来减小上述风险。

发明内容

本发明主要针对正向工程设计中概念设计阶段，提出一种实现多样性设计的结构拓扑优化方法，从而获得若干具有多样性的初始设计，减少初始设计方案由于无法满足后续设计要求而被迫放弃的风险，大大减少设计迭代次数和设计时间。

本发明提供了一种实现多样性设计的结构拓扑优化方法，所述方法包括以下几个步骤：

步骤100：建立n维设计变量的单一构型的连续体结构拓扑优化模型，目标和约束需根据设计初期的设计要求施加。

步骤200：利用本专利方法对结构进行拓扑优化，得到若干多样性的概念设计构型，包括以下子步骤：

步骤201：将m个待求单一构型拓扑优化问题合并为m×n设计变量的m构型拓扑优化问题，合并后优化问题的目标函数通过对单一构型拓扑优化问题的目标函数加权求和的方法获得，合并后优化问题继承并保留单一构型拓扑优化问题的约束函数。

步骤202：对合并后的优化问题额外施加m(m-1)/2个多样性约束，多样性约束函数是关于任意两构型设计变量的函数，用以描述两构型间的差异。步骤203：采用数学规划方法，对合并后的优化问题进行求解，获得m个多样性拓扑构型。