[发明专利]一种考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法

权利要求书

1.一种考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于网壳中构件的受力状况，设计优化前的装配式空心毂节点尺寸；

步骤2：依据步骤1的装配式空心毂节点尺寸建立装配式空心毂节点几何模型，并将毂体划分为设计区域和非设计区域；

步骤3：将步骤2中的装配式空心毂节点几何模型导入到Abaqus，再根据装配式空心毂节点的实际受力情况和接触属性建立Abaqus有限元模型；

步骤4：构建以设计区域的柔度最小为目标函数、以设计区域的Von Mises应力和体积为约束条件的拓扑优化模型，采用参数化水平集法进行拓扑优化；

步骤5：将步骤4中拓扑优化的结果进行网格光顺处理，然后根据光顺后的网格用PolyNURBS重建装配式空心毂节点。

2.根据权利要求1所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤1中的装配式空心毂节点尺寸包括毂体高度、毂体厚度和毂体外径；装配式空心毂节点尺寸根据以下公式确定：

式中，为矩形管轴向刚度，为矩形管轴向承载力，为装配式空心毂节点轴向刚度，为装配式空心毂节点轴向承载力；E为钢材的弹性模量，t₀为矩形管厚度，b为矩形管截面宽度，h为矩形管截面高度，L为矩形管长度，H为毂体高度，t为毂体厚度，D₀为毂体外径，f_y为钢材屈服强度。

3.根据权利要求2所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法，其特征在于，装配式空心毂节点轴向刚度和轴向承载力分别为矩形管轴向刚度和轴向承载力的1.1～1.2倍。

4.根据权利要求1所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤2中的装配式空心毂节点几何模型在SolidWorks中建立，通过stp格式导入Abaqus中。

5.根据权利要求1所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤2中设计区域的材料参与优化，非设计区域的材料不参与优化。

6.根据权利要求1所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤3中建立Abaqus有限元模型的过程中，荷载采用网壳受力分析中的杆端荷载值，在毂体上表面采用铰接约束，螺栓连接、封板与杆件连接采用绑定约束。

7.根据权利要求1或6所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤3中的Abaqus有限元模型采用钢材，弹性模量为206000MPa，泊松比为0.3。

8.根据权利要求1所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤4中的拓扑优化模型为：

Minimise:

Subject to:V(x)＝V_req

x_e＝0 or 1

e＝1,2,3,...,N

其中，x＝(x₁,x₂,..,x_N)是设计区域在有限元离散后的单元相对密度矩阵，其中c(x)是设计区域的柔度，K和U分别代表设计区域的整体刚度和位移矩阵，k_e和u_e分别代表单元的刚度和位移矩阵；e表示单元索引，x_e＝0表示无效材料，x_e＝1表示实体材料；V(x)是设计区域的有效材料的体积，V_req是体积约束条件，为设计区域体积的50％～70％；σ_mises(x_e)是设计区域的Von Mises应力值，是应力约束值，为装配式空心毂节点有限元分析所计算出的Von Mises应力最大值。