[发明专利]三维箱型结构筋板分布仿生优化设计方法

摘要

本发明涉及一种三维箱型结构筋板分布仿生优化设计方法，包括如下步骤：1、首先根据设计对象的外形尺寸，建立设计用的几何模型，2、根据设计对象的载荷边界条件，选择若干个单元边界作为“种子线”，与“种子线”相连的筋板作为成长的活动筋板；对整个结构进行有限元分析，并对活动筋板进行设计灵敏度分析；3、筋板成长：根据自然界分枝系统成长的机理，即分枝总是沿着使整个系统功能最优的方向和速度成长；4、分歧过程；5、反复进行步骤3和4，直至成长了的筋板总体积达到预定的总体积上限。该方法将三维箱型结构内部的加筋板看成是从一条“种子线”开始成长的分枝，使结构在成长筋板的同时，智能地趋于具有最优机械性能的结构。

主权项

1.一种三维箱型结构筋板分布仿生优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)首先根据设计对象的外形尺寸，建立设计用的几何模型，该几何模型由面板和内部填充材料组成，其中面板材料和设计对象相同，内部填充材料为一种假设的软性材料，其弹性模量为面板材料的1/1000，采用线性六面体单元对填充材料区域进行离散，由连接六面体单元的节点形成一阶壳单元作为箱形结构的筋板，筋板的初始厚度为T0，T0的值很小，忽略其对设计模型的影响；(2)根据设计对象的载荷边界条件，选择若干个单元边界作为“种子线”，与“种子线”相连的筋板作为成长的活动筋板；对整个结构进行有限元分析，并对活动筋板进行设计灵敏度分析；(3)筋板成长：根据自然界分枝系统成长的机理，即分枝总是沿着使整个系统功能最优的方向和速度成长，筋板的厚度按照(1)式进行更新：式中Ti，i＝1,2,3,…,I是设计变量，即第i个筋板的厚度；I为筋板的总数；n为迭代次数；TiL和TiU是Ti的下限和上限，Ai为第i个筋板的面积，α为步长因子，Gi由式(2)计算得到：Gi＝－TiSi     (2)其中Si为第i个筋板的设计灵敏度，χ是拉格朗日乘子，根据式(3)计算得到：式中，η是体积分数，即最终设计的筋板占材料的百分比；v0是初始几何模型的体积；(4)分歧过程：如果某一筋板更新后的厚度大于或等于设定的分歧临界值，该筋板的两条边被认为具有分歧的能力，与之相连的所有壳单元均成为新增的活动筋板，进入步骤(3)进行下一成长步；而当某一筋板的厚度减少到筋板的初始厚度T0时，该筋板被认为已退化，与之相连的所有壳单元也不能继续成长；(5)反复进行步骤(3)和(4)，结构的体积随着迭代步的增长而增加并逐渐趋于平稳，同时结构的应变能随着迭代步的增长而降低并逐渐趋于平稳，当成长了的筋板总体积达到预定的总体积上限ηv0时迭代停止。