[发明专利]一种外壳-填充结构的拓扑优化方法有效

专利信息
申请号: 201910152297.6 申请日: 2019-02-28
公开(公告)号: CN109948199B 公开(公告)日: 2020-11-24
发明(设计)人: 高亮;付君健;李好;肖蜜;李培根 申请(专利权)人: 华中科技大学
主分类号: G06F30/23 分类号: G06F30/23;G06F119/14
代理公司: 华中科技大学专利中心 42201 代理人: 曹葆青;李智
地址: 430074 湖北*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 一种 外壳 填充 结构 拓扑 优化 方法
【说明书】:

发明属于结构优化设计相关领域,并具体公开了一种外壳‑填充结构的拓扑优化方法。该方法以结构柔度作为拓扑优化的目标函数,设定外壳厚度,并初始化宏观水平集函数和介观水平集函数;将介观子结构缩减为超单元并在宏观尺度组装成填充结构,通过计算宏观、介观敏度并更新设计变量后获得下一次迭代的宏观水平集函数和介观水平集函数并计算下一次迭代的结构柔度,判断是否满足收敛条件,若是,则输出最优外壳‑填充结构,若否则重复上述步骤。本发明采用超单元技术建立了宏观结构和介观结构的联系,通过宏观尺度的优化可以得到最优的填充分布,并自动得到厚度均匀的外壳,同时通过介观尺度的优化可以得到最优的填充多孔结构的拓扑构型。

技术领域

本发明属于结构优化设计相关领域,更具体地,涉及一种外壳-填充结构的拓扑优化方法。

背景技术

外壳-填充结构是一种外部为实心外壳,内部为多孔填充的特殊结构,广泛应用于增材制造领域。其中外壳用于保持结构原有的外形,适用于有配合需要的零件或有空气动力学要求的结构,同时还能对内部填充结构进行防护;而内部为多孔填充可减轻结构的重量,并保持一定的力学性能,这种实心外壳结合多孔填充的结构具有较好的抗屈曲性能。

传统外壳-填充结构的设计主要基于经验式的方法,在增材制造工艺规划时,首先生产实心外壳,然后再对实心外壳的内部做多孔填充,但是这种制造工艺无法得到力学性能最优的外壳-填充结构。

近年来迅速发展的多尺度拓扑优化方法可以设计出最优的宏观结构和微观多孔结构,其设计的结构虽然接近外壳-填充结构,但依然存在两个问题:一方面多尺度拓扑优化在宏观上没有考虑外壳,没有将外壳集成到拓扑优化过程中;另一方面多尺度拓扑优化一般采用均匀化方法来进行多孔结构的设计和宏观性能的等效计算,均匀化方法的假设之一是尺度分离,该假设意味着设计的多孔结构在实际载荷位置不能保证一定分布材料,并且当使用多种类型的多孔结构时,多孔结构之间无法保证良好的连接性,使得载荷无法有效传递。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种外壳-填充结构的拓扑优化方法,其中通过从宏观和介观两个尺度对外壳-填充结构进行拓扑优化设计,并采用超单元技术建立宏观结构和介观结构的联系,相应可方便准确地获得最优的外壳-填充结构。

为实现上述目的,本发明提出了一种外壳-填充结构的拓扑优化方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:

S1以结构柔度作为拓扑优化的目标函数,设定外壳厚度,并初始化宏观水平集函数和介观水平集函数;

S2根据当前迭代的介观水平集函数,将介观子结构缩减为超单元;

S3将步骤S2获得的超单元在宏观尺度组装成一个填充结构,然后对宏观水平集函数大于0的宏观结构进行有限元分析,获得当前迭代的宏观位移场;

S4根据步骤S3获得的当前迭代的宏观位移场,计算宏观结构柔度的灵敏度信息和宏观结构约束条件的灵敏度信息,从而更新宏观结构设计变量并获得下一次迭代的宏观水平集函数,进而优化所述填充结构的分布并获得厚度均匀的外壳;

S5根据宏观结构超单元边界节点位移,反算超单元内部节点位移,并计算介观结构柔度的灵敏度信息、介观结构约束条件的灵敏度信息,从而更新介观填充结构设计变量并获得下一次迭代的介观水平集函数,进而优化所述填充结构的拓扑构型;

S6根据下一次迭代的宏观水平集函数和介观水平集函数计算下一次迭代的结构柔度,并判断下一次迭代的结构柔度是否满足收敛条件,若是,则输出最优外壳-填充结构,若否,则根据下一次迭代的宏观水平集函数和介观水平集函数重复步骤S2~S6。

作为进一步优选地,所述步骤S1中结构柔度的表达式为:

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