[发明专利]一种具有梯度多孔夹芯的夹层结构拓扑优化方法

说明书

本发明属于结构优化相关技术领域，并具体公开了一种具有梯度多孔夹芯的夹层结构拓扑优化方法。所述方法包括：将夹层结构切片化处理，采用变厚度法优化各切片层的密度，以此确定上、下面板厚度，然后优化中间夹芯的一个切片层中各单元的密度值，将密度值区间分割为m个等差密度区间，得到m种代表性夹芯单元的密度值，然后逐个优化选定的m种代表性夹芯单元以获得优化后的构型，并对优化后的构型进行形状插值以获得该切片层所有夹芯单元的构型，将优化后的该切片层在夹层结构的高度方向上周期性重复，得到该夹层结构的构型，则完成拓扑优化。本发明实现了夹层结构上、下面板厚度，夹芯单元构型及其在夹芯层梯度分布的同时优化。

技术领域

本发明涉及结构优化相关技术领域，更具体地，涉及一种具有梯度多孔夹芯的夹层结构拓扑优化方法。

背景技术

夹层结构具有众多优异的性能，如超轻质、高比弯曲刚度/强度、高效吸收冲击能量、优异的声学和热学特性，广泛应用于航空航天、汽车工业等相关结构设计领域。多尺度拓扑优化是一种有效的夹层结构拓扑优化设计方法，非常适用于有较低的质量和较高的力学性能需求的夹层结构设计。具有梯度多孔夹芯的夹层结构拓扑优化设计方法能充分发掘夹层结构上、下面板厚度分布，以及中间夹芯微结构的设计潜能，以最少的材料用量或者最低的成本实现夹层结构的最佳性能。

针对夹层结构的拓扑优化，本领域相关技术人员已做了一些研究，如文献1：“G.D.Xu,J.J.Zhai,Z.Tao,Z.H.Wang,C.Su,D.N.Fang,Response of composite sandwichbeams with graded lattice core,Composite Structures,119(2015)666-676”公开了一种具有梯度点阵夹芯的夹层结构，该夹层结构的夹芯性能在长度方向上逐渐变化，能够更好地适应不同的加载条件。该方法仅考虑了夹芯结构的拓扑优化而未考虑夹层结构的上、下面板优化。如文献2：“E.Dragoni,Optimal mechanical design of tetrahedral trusscores for sandwich constructions,Journal of Sandwich StructuresMaterials,15(2013)464-484”公布了一种单通道参数优化算法，用于实现上、下面板和夹芯层的整个夹层结构的最小重量设计。然而上述方法的核心是微结构完全相同的夹芯层结构设计，未涉及同时优化夹层结构的上、下面板厚度，以及具有梯度微结构的中间夹芯结构设计方面的研究。

因此，以较低的计算成本，在同时考虑夹层结构的上、下面板厚度优化，以及中间夹芯微结构优化的情况下，设计具有梯度多孔夹芯的夹层结构，以充分发掘多尺度的设计空间，最大限度提升夹层结构的性能，是当前亟待解决的研究热点问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有梯度多孔夹芯的夹层结构拓扑优化方法，其中结合梯度多孔夹芯自身的特征及特点，通过对夹层结构的各层切片进行优化，并以较低的计算成本充分发掘夹层结构的多尺度设计空间，同时保证夹层结构的中间夹芯所含多个梯度微结构之间的连接性，充分发挥材料潜能，提升夹层结构的力学性能，实现拓扑优化过程。

为实现上述目的，本发明提出了一种具有梯度多孔夹芯的夹层结构拓扑优化方法，包括以下步骤：

S1将待优化的夹层结构设定为初始夹层结构，将该夹层结构切片化处理为多个切片层，设定各切片层的初始密度，采用变厚度法优化各个所述切片层的密度，并根据优化后的各个所述切片层的密度分布，确定初始夹层结构的上面板、中间夹芯和下面板的厚度，获取中间夹芯的密度值；

S2取所述中间夹芯中的任意一个切片层作为优化对象，将该切片层离散化为多个单元，根据所述中间夹芯的密度值，采用变厚度法优化该切片层中各单元的密度值，以获取优化后该切片层中所有单元密度值分布区间；