[发明专利]一种基于改进SIMP的零件结构拓扑优化方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于改进SIMP的零件结构拓扑优化方法及装置，该方法包括加速SIMP算法，得到算法加速后的剩余安全裕度，为后续优化做准备；离散化零件结构的模糊边界，对结构进行优化；识别优化后的零件结构特征，并对其进行数字化提取和分类；根据提取的数字化特征重构零件结构的边界。本发明提出的优化方法根据权重系数来分配加速模块中剩余安全裕度的方法，将结构单元分为稳定单元与可变单元，计算出可变相对密度，以此为依据对结构进行最后以此结构更新。

技术领域

本发明涉及结构优化和结构制造技术领域，特别涉及一种基于改进SIMP的零件结构拓扑优化方法，本申请一个或者多个实施例同时涉及基于改进SIMP的零件结构拓扑优化方法的装置，一种计算设备，以及一种计算机可读存储介质。

背景技术

近年来，结构优化的方法逐渐进入人们的视野，对于结构的轻量化设计不仅可以有效的降低结构的重量，还可以提高结构的灵活性。特别是在航空航天领域，老式飞机结构设计往往从安全层面考虑，将飞机的结构设计的过于保守，这就导致了飞机的重量上升。飞机结构的减重不仅可以提高飞机的飞行距离，还会提高飞机的灵活性，与此同时飞机的燃油消耗率也会大大降低，带来的经济效益十分明显。拓扑优化作为一种新兴的结构轻量化方法，是在保证结构强度足够的前提下，对设计域内材料的分布进行寻优的设计方法。

目前，针对结构零件的优化，主要是基于有限元方法，通过分析单元结构的应力，来更新设计域内的材料分布情况。在不影响结构安全性能的前提下，将对结构贡献度小的单元删除，来达到对结构轻量化设计的目的。目前主要的结构优化方法包括SIMP、BESO、MMC、水平集等方法。

目前应用较多的方法为SIMP方法，该方法具有易于理解、对网格敏感性小的优点。但是其优化后的结构存在大量的模糊单元，这些单元的取舍是一个问题，这些模糊网格影响着结构的准确性，所以后续许多研究致力于如何获得清晰准确的结构。其中，网格划分精度是一个至关重要的问题，边界的清晰程度与网格划分的疏密成正比，但随之而来的问题是计算时间。经验证，同一结构，在同种工况下网格数量由200*50变为400*100，即网格的数量变为原来的4倍，其运算时间会增加20倍，对于大型的复杂结构可能会更多。其次就是结构优化方法的可制造性差，由于经过优化后的结构往往多孔，这就给传统的制造方法带来了巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于改进SIMP的零件结构拓扑优化方法及装置。

为此，本发明技术方案如下：

一种基于改进SIMP的零件结构拓扑优化方法，包括

加速SIMP算法，得到算法加速后的剩余安全裕度，为后续优化做准备；

离散化零件结构的模糊边界，对结构进行优化；

识别优化后的零件结构特征，并对其进行数字化提取和分类；

根据提取的数字化特征重构零件结构的边界。

进一步的，所述加速SIMP算法的方法具体包括

改变SIMP方法的终止条件，终止条件变为ΔC＝0.001C1，

其中，ΔC为优化后目标函数改变量，即第i次目标函数Ci与第i-1次目标函数Ci-1之差，C1为首次输入结构初始目标函数值，最终结束循环时输出的ΔC为剩余安全裕度。

进一步的，离散化零件结构的模糊边界具体包括

1)对剩余安全裕度ΔC进行合理分配，剩余安全裕度ΔC的表达式为：

其中，k_e为单元的刚度矩阵且为常数矩阵，u_e为单元的位移矩阵，ρ_e为单元的相对密度，Ne为结构中可变单元的总个数，P为惩罚因子；