[发明专利]一种应用于增材制造的结构拓扑优化设计方法

权利要求书

1.一种应用于增材制造的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用现有的有限元仿真软件对满足边界和荷载要求的初始设计结构进行适用于增材制造的物理建模，设置材料参数，添加边界条件及荷载，选用有限元网格将结构网格化，选择求解器进行求解；求解完成后，获取有限元计算脚本文件，并在脚本文件开头引入单元密度插值函数x(i)，将单元材料弹性模量变换为含有x(i)的函数，运行脚本文件，保存单元优化目标值；

所述步骤1)中，在有限元多物理场耦合仿真软件输出脚本文件的基础上，将设计域内单元材料的弹性模量设置为关于x(i)的函数，设计方程如下：

E＝(x(i)+(1-x(i)×10^-10))×E0 (1)

式(1)中，E0为结构材料弹性模量，优化计算前x(i)＝1；

1.2)在定义材料参数的代码上一行，增加优化过程中引入的参数值，参数包括半径rmin、优化迭代系数RF及进化率ER；

1.3)运行重新修改结构材料参数后的脚本文件，求解完成后，读取设计域内各单元优化目标值，记录目标值所对应的单元编号和节点编号，将结果以向量的方式保存；

2)引入节点灵敏度计算方法，提取单元节点编号，计算各节点在半径为rmin范围内单元优化目标值对节点的影响系数；将单元优化目标值变换为含有x(i)的函数，组集节点影响系数向量和单元目标值向量，并将单元优化目标值转换为节点优化目标值；

3)获得单元优化目标值取值的平均值，并与优化迭代系数组合，建立节点优化迭代进化值；对通过节点应变值与进化值得对比，更新x(i)的取值；

4)在有限元迭代计算过程中，优化迭代系数根据上一迭代步中x(i)＝0的计算情况，通过进化率自适应的调节优化迭代系数，使优化过程达优化目标的同时，快速收敛，从而提高优化效率；结构达到优化目标时，程序自动停止计算，并生成x(i)0的结构最优拓扑；将结构的最优拓扑导入有限元软件生成适用于增材制造的物理模型，完成结构优化设计。

2.根据权利要求1所述的应用于增材制造的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤2)具体过程为：

2.1)读取设计域内单元节点编号，计算单元节点在半径为rmin范围内，单元的优化目标值对节点的影响系数，设计方程如下：

式(2)中，代表节点指定半径内周边单元对节点i的影响系数值，其为一个包含单元节点编号、单元编号和节点i敏度值的向量；T为设计域内以节点i为圆心、rmin为半径的圆内单元数量；α_j为单元j的目标值；r(i,j)代表节点i与节点j的连线长度；

2.2)将单元目标值与密度插值函数相结合，组成单元优化目标向量设计方程如下：

式(3)中，C为包含单元节点编号、单元编号和单元目标值的向量；

2.3)将单元优化目标转换为节点优化目标向量，设计方程为：

式表示第i个单元的对应的k号节点。

3.根据权利要求2所述的应用于增材制造的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤3)具体过程为：

3.1)计算向量中，优化目标值的平均值C0；将C0乘以优化迭代系数RF，获得当次迭代中的目标值的优化参数的阈值Dc；

3.2)构造多重循环迭代，将Dc与各节点优化目标值相对比，并更新x(i)的取值，以达到逐步接近优化目标值，x(i)值更新方法如下：

式(5)中，表示单元i中所有节点，NI表示单元内插值节点总数，N表示单元内插值节点目标值大于阈值数量。