[发明专利]一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法

权利要求书

1.一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，选取加筋薄壁结构的典型单胞，并获取所提取加筋胞元的等效材料属性，将加筋布局优化问题转化为各向异性材料的主方向优化问题；然后将所获得的加筋胞元等效材料属性主方向旋转若干角度，获得具有不同参考方向的各向异性材料属性，用以表示筋条与蒙皮不同的相对角度关系，为后续优化组建备选材料库；

第二步，选定优化目标，采用多材料拓扑优化方法获得该目标下的最优材料分布，具体步骤为：

1)根据设计要求建立优化列式和离散材料优化模型，进行优化以获得最优的材料分布；优化目标和约束依据设计初期的具体要求；优化列式的一般形式如下：

其中，x为设计变量，xi为设计变量第i个分量，L为设计变量的数量，u为力学控制方程，F为目标函数，G为约束函数；

优化过程中，每一个单元都可以被赋予不同的材料，设计变量表示备选材料库中每种备选材料的权重系数，并可以使用连续插值函数构建离散材料分析模型；

2)基于所建立的离散材料有限元分析模型，针对所需的力学响应进行有限元求解，并计算灵敏度信息；

3)使用梯度类优化方法求解优化问题，直至优化问题收敛；也可以使用启发式算法对原始的离散材料优化问题直接进行求解；

4)消除优化结果中的中间密度，获得最优的材料分布，确定材料主方向走势；

第三步，基于第二步获得的材料主方向分布结果，提取筋条路径，获得最优的筋条布局分布函数；具体为：首先根据最优材料分布的主方向角度计算整体结构不同位置筋条的方向导数，然后提取筋条路径参数化，构建以多项式函数、流势线函数、样条函数为基底的筋条路径、布局描述函数；然后，基于所获得的筋条路径、布局描述函数，建立精细有限元三维模型，引入质量约束、制造约束以及其他功能性约束，进行加筋布局、形状、尺寸协同优化设计；其中，筋条路径、布局描述函数的参数控制筋条的布局和形状，尺寸变量包括筋条厚度、筋条高度、蒙皮厚度、筋条数量。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法，其特征在于，第一步中所述的加筋胞元等效为各向异性材料的方法主要包括解析法、均匀化方法、代表体元法。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法，其特征在于，第二步步骤1)中所述的优化目标和约束包括刚度、屈曲载荷、质量、频率动力学特性以及制造工艺约束。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法，其特征在于，第二步步骤2)中灵敏度信息的计算方法包括直接法，伴随发和差分法。

5.根据权利要求1所述的一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法，其特征在于，第二步步骤3)中所述的梯度类优化方法包括牛顿法、拟牛顿法、移动渐近线法。

6.根据权利要求1所述的一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法，其特征在于，第二步步骤3)中所述的启发式算法包括遗传算法、粒子群算法、蚁群算法、人工智能法。

7.根据权利要求1所述的一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法，其特征在于，第三步中所述的筋条路径参数化提取方法包括函数拟合、图像识别、人工提取方式。