[发明专利]一种联合拓扑优化与形状优化的水下结构设计方法

说明书

本发明涉及水下机械结构件设计技术，具体涉及一种联合拓扑优化与形状优化的水下结构设计方法，基于变密度拓扑优化方法结合目标结构实际工况创建拓扑优化设计域并设置目标函数、约束条件与设计变量，通过双向流固耦合有限元仿真方法计算目标函数与灵敏度来更新设计域内设计变量的分布，最终获得流固耦合作用下最优拓扑结构；接着同样在双向流固耦合有限元仿真方法基础上，利用形状优化方法进一步优化结构边界形状，提升结构性能，最终得到水下作业环境的最优结构。采用双向流固耦合方法，提高了水下结构设计的可靠性，同时引入形状优化方法消除了基于变密度法拓扑优化结果中灰度单元对最优结构的影响，并且进一步提升了结构性能。

技术领域

本发明属于水下机械结构件设计技术领域，尤其涉及一种联合拓扑优化与形状优化的水下结构设计方法。

背景技术

水下机械结构在工作时同时承受固体运动与流体流动产生的作用力，因此对结构机械性能的要求更为严格。目前普遍采用的水下工作结构部件多为柱体结构，其非流线型的外观使得当流体相对运动速度较大时结构表面流体压力过大，影响结构整体性能与工作效率。目前水下结构的设计更多的集中在对结构件之间的连接关节的性能优化与设计，以确保较为脆弱的关节部位能够承受较为恶劣的工况，但却忽略了与流体接触面积更大的结构件本身的设计优化。如若能够通过结构设计方法改变结构外形，在保证足够结构强度的同时减少流体的冲击载荷，这不但能够减少整体装置承受的作用力，也使得如关节部位这样的脆弱部件受力降低，有效的提升了整体装置的可靠性。因此，对水下结构件的设计优化及其优化方法的研究具有十分重要的意义与应用价值。

拓扑优化作为一种高设计自由度的结构设计方法，起源于固体结构领域，后被引入流体力学领域，相比于传统形状和尺寸优化方法，其突破了经验主义与结构参数化的限制，有助于挖掘具有优良性能的新型结构。水下结构的拓扑优化问题在物理意义上就是流固耦合作用下的结构拓扑优化问题，但目前对于流固耦合作用下结构的拓扑优化设计大多为单相流固耦合，这种方法仅仅考虑了固体相的结构力学性质，而忽略了流体相边界与固体相边界耦合时产生的相互作用与影响。真实工况下的流体会产生相应的压力作用于固体结构的边界，而受之影响的固体结构边界位移也会反过来作用于流场改变其流动状况。如此一来，变化的流场与变形的固体结构相互作用、相互影响，对二者的综合分析缺一不可。仅考虑单相流固耦合所设计的结构，难以满足真实情况下的性能需求。为了更加准确地研究水下结构中流固耦合的动态过程，为水下结构的设计提供依据，有必要引入双向流固耦合机制，来提高结构设计的有效性。

此外，目前基于变密度法的拓扑优化设计是通过材料属性插值模型与惩罚因子的引入使设计域内连续的相对密度函数趋向于0-1分布，其中相对密度值为1的区域表示固体，0则表示流体区域，从而通过最终相对密度值的分布得到优化的几何结构。但是设计域中难免存在众多介于0和1之间的中间值密度区域，也称作灰度单元。在提取最终结构时，往往使用某一具体相对密度的等值线或等值面作为最优结构轮廓，忽略了灰度单元对结构性能的影响，也使得最终得到的拓扑优化结构性能并非最优化。为了消除灰度单元对最终优化结果的影响，得到性能更好的优化结构，有必要在拓扑优化之后引入形状优化，进一步优化结构的边界轮廓，提升结构性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种联合拓扑优化与形状优化的水下结构设计方法，通过基于变密度法的拓扑优化方法获得流固耦合作用下最优拓扑结构，然后结合形状优化方法进一步优化结构边界形状，提升结构性能，最终得到水下作业环境的最优结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种联合拓扑优化与形状优化的水下结构设计方法，包括以下步骤：

步骤1：结合水下结构作业环境创建拓扑优化设计域并离散为有限元网格模型，结合结构性能指标设置所需的目标函数、约束条件、设计变量及其初始值，设置拓扑优化过程收敛条件；

步骤2：对设计变量场进行密度过滤与投影，以控制优化结构的最小尺寸、消除优化结果对网格的依赖性并获得清晰光滑的结构边界；