[发明专利]一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法

权利要求书

1.一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将结构模型进行体素化网格划分，每个体素单元都有其对应的空间坐标；

S2、以体素单元集合为基准，构建能够约束结构模型外表面的保形单元，每个保形单元包括结构模型的外表面单元、内部单元与内表面单元；

S3、定义控制保形单元的两种变化方式：保形单元增加操作、保形单元减小操作；

S4、定义保形单元悬垂函数，计算每个保形单元的悬垂函数值P，并将保形单元按悬垂函数值从小到大排序；悬垂函数如下式：

p＝1 (β_o≥β)

式中，q为自定义系数，β_o为悬垂结构角度，h为悬垂结构水平方向距离，p是保形单元的悬垂函数值；

S5、设定最小自支撑角度β；求取保形单元虚增加角度β_ao、保形单元虚减小角度β_do；设定悬垂角度约束，使在迭代过程中不会产生新的悬垂角度β_o小于最小支撑角β的结构；

S6、设定迭代变化率l，确定迭代变化数S，依据迭代变化数对步骤S4得出的排序队列应用步骤S3的保形单元变化方法，对保形单元执行增加或减少操作；在当前步骤施加步骤S5中设定的悬垂角度约束，不对被约束的保形单元执行增加操作与减小操作；

S7、对全部保形单元虚增加、虚减小角度约束重置，并在下次迭代中重新判定；

S8、迭代循环步骤S4至步骤S7，直到结构内表面全部悬垂结构角度β_o≥β时，迭代终止。

2.如权利要求1所述的保外形拓扑优化方法，其特征在于，在步骤S2中，构建的保形单元能够约束结构模型外表面的六个方向，六个方向分别为沿x、y、z轴的正、负向。

3.如权利要求1所述的保外形拓扑优化方法，其特征在于：步骤S3中保形单元增加操作为：在保形单元的内表面一侧，由结构模型外表面至内表面方向增加一个体素单元；保形单元减小操作为：在保形单元的内表面一侧，由结构模型内表面至外表面方向删减一个体素单元。

4.如权利要求1所述的保外形拓扑优化方法，其特征在于，在x、z平面中，悬垂结构角度β_o求取方式如下：

1)在保形单元内表面单元体，坐标为(x，z)处做半径为q的悬垂滤波圈；

2)遍历滤波圈内体素单元，找到距离圆心单元体坐标为(x，z)，Z轴负方向距离最大的内表面单元体，坐标为(r，t)；

3)依式(2)求得悬垂角度β_o，式(2)如下，x、z、r、t为体素单元坐标。

5.如权利要求1所述的保外形拓扑优化方法，其特征在于，在x、z平面中，水平方向距离h求取方式如下：

1)求取全部保形单元所处悬垂结构的悬垂角度β_o后，将β_o≥β的保形单元标记为自支撑单元；

2)以保形单元内表面单元体，坐标为(x，z)为起点沿Z轴负方向遍历直到z＝0，每遍历到新的一行时，向X轴悬垂方向遍历；当遍历到第一个自支撑单元体时取自支撑单元体，坐标记为(a，c)，结束遍历；若未遍历到自支撑单元体则取x方向距中心单元体最远的单元体，坐标记为(a，c)；

3)依式(3)求取水平方向距离h，式(3)如下，dx为每个体素单元棱长，x、a为体素单元坐标；

h＝|x-a|×dx。

6.如权利要求1所述的保外形拓扑优化方法，其特征在于，步骤S5中，设定的悬垂角度约束为：当β_ao小于最小支撑角度β时，在当前迭代步，不对此保形单元执行增加操作；当β_do小于最小支撑角度β时，在当前迭代步，不对此保形单元执行减小操作。