[发明专利]基于特征驱动的翼面结构拓扑优化方法

摘要

本发明公开了一种基于特征驱动的翼面结构拓扑优化方法，用于解决现有翼面结构拓扑优化方法实用性差的技术问题。技术方案是首先确定翼面结构中与工程实际相符梁的特征形状，定义其角度，位置和尺寸为设计变量，采用固定网格方法，再利用水平集方法和布尔操作得到翼面特征布局初始结构，在优化的每一步迭代步中，根据优化变量结果对翼面特征布局进行更新，以一定材料体积为约束结构应变能最小为目标进行拓扑优化得到翼面加筋布局设计结果。用该方法对翼面结构进行拓扑优化，由作为特征的梁组合而成的布局优化结果可以直接指导并应用于工程实际，实用性好。

主权项

一种基于特征驱动的翼面结构拓扑优化方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、建立翼面结构的表面框架蒙皮拓扑优化模型，定义表面框架蒙皮为非设计域，翼面内部为设计域；将翼面结构拓扑优化中的设计域离散为有限单元并作为固定网格；定义作为特征的梁的角度，位置和尺寸为设计变量，并给出初始值；步骤二、利用水平集方法定义特征边界，通过布尔操作构造梁特征，将多根梁进行组合进行交并操作：Φ＝Φ1(x)∪Φ2(x)∪…∪Φn(x)    (1)式中，Φ‑翼面加筋特征，n‑特征数目，x‑有限单元中点位置；设计域内的有限元单元被特征边界分为三类，即完全在特征区域外，完全在特征区域内和与边界相交，利用Heaviside函数对应表达三类有限元单元材料弹性模量数值：E(x)=E0,Φ≥Δ3(1-α)4(ΦΔ-ω33Δ3)E0+1+α2E0,-Δ≤Φ<ΔαE0,Φ<-Δ---(2)]]>式中，E0‑实体材料弹性模量，Φ‑翼面加筋特征，Δ‑特征边界范围，α‑极小值；对翼面根部固定位置施加固定约束，翼面表面施加压强载荷；步骤三、翼面加筋布局优化以翼面结构总体应变能最小为目标，约束总的加筋体积及特征参数变量数值，具体满足公式：finds=(s1,s2,...sm)minJ(u,Φ)s.t.J(u,Φ)=JD(Φ)+JΓ(Φ)V≤V‾s‾i≤si≤s‾i---(3)]]>式中，J(u,Φ)‑结构总应变能，u‑位移向量，m‑特征变量类型的数目，s‑特征设计变量组合即特征数目，布局角度，位置和尺寸变量，JD(Φ)‑结构重力做功，JΓ(Φ)‑表示外力做功，‑体积上限，‑特征优化变量参数上限，si‑特征优化变量参数下限；步骤四、计算翼面结构应变能函数对于梁特征尺寸，位置和角度等变量的灵敏度；步骤五、根据上述求得的灵敏度进行优化，选取梯度优化算法，优化迭代得到结果。