[发明专利]一种三维实体结构拓扑优化方法及系统

说明书

本发明公开了一种三维实体结构拓扑优化方法及系统，通过采用三维CAD软件建立三维实体结构的结构模型，将结构模型导入有限元分析软件中，建立有限元模型并确定优化区域，将优化区域存储在优化区域单元；利用功能截面分解法对三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面；对若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果；通过分组匹配确定各截面的优化结果的对应关系，采用三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型；根据工艺约束条件对三维重构模型进行尺寸优化，得到优化后的三维模型。本发明能够提高大型、复杂结构的拓扑优化效率，且能够增强拓扑优化结果的可读性。

技术领域

本发明涉及实体结构拓扑优化技术领域，特别是涉及一种三维实体结构拓扑方法及系统。

背景技术

在航天航空、汽车、船舶等领域，对装备的轻量化与高承载性等性能要求越来越显著，结构拓扑优化设计成为国内外各行业的研究热点。拓扑优化是在结构拓扑关系未知的情况下对材料进行空间的重新分配，由于优化过程中结构的边界形状会发生改变、设计变量难以定量描述、设计区域预先未知等因素导致拓扑优化的求解难度大大增加，因此，拓扑优化理论发展比较缓慢。

目前针对复杂工况下的三维实体结构，普遍采用的是已在仿真优化软件中集成的变密度拓扑优化法，然而由于结构、工况的复杂性，优化过程常常出现数值不稳定导致耗时较长及拓扑优化结果难以精确辨识导致难以对结构优化提出有效指导等问题，因此，需要探索更加有效的思路来解决这些问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便克服上述问题的一种三维实体结构拓扑优化方法及系统，以提高三维实体结构拓扑优化效率并增强拓扑优化结果可读性。

为达到上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种三维实体结构拓扑优化方法，包括：

采用三维CAD软件建立三维实体结构的结构模型，将所述结构模型导入有限元分析软件中，建立有限元模型并确定优化区域，将所述优化区域存储在优化区域单元；

利用功能截面分解法对所述三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面；

对所述若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果；

通过分组匹配确定所述各截面的优化结果的对应关系，采用所述三维CAD软件中的扫掠法进行曲面重构，得到三维重构模型；

根据工艺约束条件对所述三维重构模型进行尺寸优化，得到优化后的三维模型。

进一步的，所述利用功能截面分解法对所述三维实体结构进行拓扑优化降维，得到若干组二维功能截面，包括：

选取所述三维实体结构上的一点作为原点构建三维直角坐标系；

根据理论力学相关原理，将所述三维实体结构的受力情况简化到选取的点上；

将主失和主矩分解到所述三维直角坐标系的三个坐标轴上，以构成的三个平面作为功能截面组基面，通过等效负载得到各基面对应的力和力矩；

将各基面对应的力和力矩按照预设公式进行归一化，得到各基面对应的承载力，根据所述各基面对应的承载力，确定主要功能截面组基面、次要功能截面组基面和辅助功能截面组基面。

进一步的，所述预设公式为其中，G_i表示基面归一化后对应的承载力，F_i、M_i分别为主矢和主矩，F_max、M_max分别为主矢和主矩中的最大值。

进一步的，所述对所述若干组二维功能截面进行拓扑优化，得到各功能截面的优化结果，包括：