[发明专利]变刚度可降解复合结构优化设计方法

权利要求书

1.一种变刚度可降解复合结构优化设计方法，用于对复合结构进行结构优化设计，其特征在于，所述复合结构由至少两种具有不同刚度和不同降解性能的材料组成，

所述变刚度可降解复合结构优化设计方法包括如下步骤：

步骤S1，按照特定要求，构造所述复合结构的初始几何模型；

步骤S2，将所述初始几何模型划分为有限个相同单元e，建立所述复合结构的有限元模型，所述有限元模型至少包括设计变量x_e和残留率y_e，所述设计变量x_e用于描述所述材料的分布，所述残留率y_e用于描述所述材料的降解程度；

步骤S3，分别计算各个所述单元e的降解率d_e；

步骤S4，基于所述降解率d_e以及所述单元e的相邻单元的降解率，分别计算各个所述单元e的残留率y_e；

步骤S5，基于所述有限元模型以及所述残留率y_e，进行有限元分析，分析不同时间步下所述复合结构的力学性能；

步骤S6，对所述设计变量x_e进行针对降解时间t_i的灵敏度分析；

步骤S7，重复步骤S3至S6，直至达到指定时间步；

步骤S8，根据预定目标函数J，使用移动渐近线算法更新所述有限元模型中的所述设计变量x_e；

步骤S9，使用更新后的所述设计变量x_e重新计算所述目标函数J；

步骤S10，判断是否满足预定的终止条件，当不满足时，重复所述步骤S3至S9，当满足所述终止条件时，则停止迭代，得到最终的所述设计变量x_e，并根据所述设计变量x_e来设计所述复合结构，

其中，所述复合结构在所述结构优化设计过程中的优化数学模型为：

find:X(x_e)

min:

s.t.:K(x,y,t)U＝F

v₁(x_e)≤fv₀

0x_min≤x_e≤1,e＝1,2,...,m

式中，X为所述设计变量x_e的集合，v₁为所述复合结构中材料1的最终体积，v₀为总体积，f为体积分数，x_min为x_e的最小值，C为结构应变能。

2.根据权利要求1所述的变刚度可降解复合结构优化设计方法，其特征在于：

其中，所述初始几何模型具有边界条件，所述边界条件至少包括可降解边界、载荷以及约束。

3.根据权利要求1所述的变刚度可降解复合结构优化设计方法，其特征在于：

其中，所述单元e的降解率d_e通过如下公式计算得到：

式中，γ为常数，H为Heaviside函数，i为降解时间步，Γ为所述单元e的相邻单元集合，α为所述相邻单元集合Γ中的第α个元素，y_b＝0.1。

4.根据权利要求3所述的变刚度可降解复合结构优化设计方法，其特征在于：

其中，所述单元e的残留率y_e通过如下公式计算得到：

式中，η为常数，yⁱ为所述单元e在时间步i时的残留率。

5.根据权利要求4所述的变刚度可降解复合结构优化设计方法，其特征在于：

其中，通过如下公式进行有限元分析：

K(x,y(t_i))U＝F

K是结构的整体刚度矩阵，U为位移向量，F为力向量，

对于可降解结构，所述整体刚度矩阵K为：

式中，B为几何矩阵，D为弹性系数矩阵，Ω_e为单元的体积，k_e为单元刚度矩阵。