[发明专利]一种基于网格参数化的结构多学科设计优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于网格参数化的结构多学科设计优化方法，属于结构设计领域。

背景技术

多学科设计优化是近几十年来发展起来用于解决多个学科耦合问题的优化设计方法。与传统单学科串行设计方法相比，考虑了学科间的耦合设计，更加贴切问题的实质，具有较高的设计精度；采用多目标机制平衡学科间的相互影响，可以获取整体最佳设计，避免了反复设计所导致的人力、物力、财力的浪费；引入了协同/并行的设计思想，有效地提高了设计效率。由于多学科设计优化所展现出的优势，已经被广泛应用于飞行器、发动机、汽车等产品的设计中，目前也已成为复杂系统设计一项必不可少的手段。

在以往的多学科设计优化中，遵循着更新几何模型—>重新划分网格—>数值分析的优化循环过程，即在每个寻优迭代中需要重新生成几何模型和进行划分网格。这种优化循环存在着如下的缺陷：1)对几何模型的参数化设计要求较高；并且鉴于目前几何模型的生成方式，不能保证可以生成合理的几何模型，严重时甚至导致模型更新失败。2)难以保证重新划分后的网格质量，引起了优化过程中数值分析的漂移，严重影响了高度敏感于网格质量的流体、接触等问题优化结果的可信度；存在网格划分失败的风险，特别是针对飞行器、航空发动机、车船系统的整机设计，大量零部件的网格划分需要消耗巨大的时间成本。因此需要进一步发展多学科设计优化方法避免上述问题的发生。

发明内容

要解决的技术问题

本发明将发展一种基于网格参数化的结构多学科设计优化方法，利用网格变形技术将各学科分析网格进行参数化处理，并保证耦合界面处各学科网格变化的一致性，在网格参数化基础上实现结构的多学科设计优化，有效避免传统优化设计方法中每次优化迭代需要重新生成几何模型和划分网格所产生的问题。

技术方案

一种基于网格参数化的结构多学科设计优化方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据结构设计的要求，确定结构多学科设计优化中设计变量、约束和目标，确定所涉及学科的分析方法；

步骤2：建立结构设计所涉及多个学科的分析网格，施加对应的物理模型、边界条件和分析控制参数，并确定耦合界面；

步骤3：根据结构形状、尺寸特征以及学科分析网格的特点，针对结构优化设计变量，利用自由网格变形技术建立学科分析网格的参数化模型：

步骤31：根据结构形状和尺寸特征，结合结构优化设计变量，利用自由网格变形方法建立各学科分析网格的控制体，并获取控制体节点坐标；耦合界面处各学科分析网格控制体保持一致；

步骤32：建立控制体节点坐标与各学科分析网格节点坐标间映射关系，通过控制体节点坐标的变化来控制学科分析网格变形，更新网格节点坐标获得新的学科分析网格；

步骤33：对变形后的学科分析网格进行光顺处理，以提高分析网格的质量；

步骤34：建立控制体节点坐标变化与结构优化设计变量间的定量关系，通过更改设计变量实现对控制体节点坐标和学科分析网格的变化，实现学科分析网格的参数化；

步骤4：搭建结构多学科设计优化系统，根据学科间耦合关系和耦合变量，利用多学科可行方法或协同优化设计方法建立结构多学科设计优化系统；

步骤5：开展多学科优化设计，首先进行设计变量的主次因素分析，选取对目标、约束影响较大的变量作为设计变量；在此基础上开展DOE设计，建立初始代理模型；利用组合优化算法进行结构多学科设计优化。

有益效果

传统结构多学科设计优化中是基于几何参数化进行的，在每次优化迭代中根据设计变量进行几何模型的更改，但是在更改几何模型时容易导致模型更新失败，特别是几何模型更新后往往进行自动网格划分，自动划分的网格由于不能保证网格质量从而影响优化效率和精度。本发明针对结构多学科设计优化，发展一种基于网格参数化的结构多学科设计优化方法。该方法利用网格变形技术将结构所涉及学科的分析网格进行参数化处理，在优化过程中直接更改学科分析网格进行优化设计，避免了重新生成几何模型和自动划分网格所导致的几何模型生成失败、网格精度低的问题，有效地保证了优化过程中的网格质量，可以进一步提高结构多学科设计优化的效率和精度。

附图说明

图1为基于网格参数化的结构多学科可行优化流程图；

图2为涉及气动、传热、结构、强度等学科的涡轮冷却叶片模型；

图3为网格模型的控制体；

图4为涡轮叶片流场分析网格参数化模型；

图5为流场分析网格变化前后对比图；