[发明专利]一种应力约束下多相材料柔性机构拓扑优化方法

摘要

本发明属于结构优化设计相关技术领域，其公开了一种应力约束下多相材料柔性机构拓扑优化方法，用于优化多相材料柔性机构的结构，其包括以下步骤：(1)构建多相材料水平集拓扑描述模型，描述结构多相材料分布；(2)构建刚度插值模型和可分离应力插值模型，分别计算多相材料结构弹性刚度和应力；(3)构建基于加权法和应力惩罚的多相材料柔性机构参数化水平集拓扑优化模型，同时优化柔性机构的输出位移和柔度，并控制多相材料结构局部应力。上述方法应用于应力约束下多相材料柔性机构拓扑优化设计，优化后获得的多相材料柔性机构具有高柔性、高刚度的优点，并且其柔性结部分无单点铰链现象，结构强度要求得到满足，应力集中问题被缓解。

主权项

一种应力约束下多相材料柔性机构拓扑优化方法，用于优化多相材料柔性机构的结构，该优化以应力和体积分数为约束，以输出位移最小化和柔度最小化为目标，其特征在于，具体优化过程包括以下步骤：(1)拓扑优化初始化：给定柔性机构设计域、载荷、人工弹簧和边界条件，设定权重因子、许用应力、体积约束和初始结构，并对优化算法的参数进行初始化；(2)利用多相材料水平集拓扑描述模型描述结构多相材料分布，利用刚度插值模型计算多相材料结构的弹性刚度；(3)在工况一下对结构进行有限元分析，以获得结构位移场，计算结构的输出位移和应力，工况一中，除边界位移约束外，输入刚度为k_in和输出刚度为k_out的人工弹簧被分别添加在柔性机构的输入端口和输出端口，力t_in被施加在输入端口，以用于获得期望的输出端口处的输出位移u_out，并且结构应力通过可分离应力插值模型求得；(4)在工况二下对结构进行有限元分析，以获得结构柔度，工况二中，除边界位移约束外，一个和工况一中输出位移同方向的单元集中力f_out被施加在柔性机构的输出端口，输入端口处的边界则被紧固；(5)获得用于权衡结构输出位移和柔度重要性的权重因子添加项κ；(6)对应基于加权法和应力惩罚的多相材料柔性机构参数化水平集拓扑优化模型，获取其目标函数及体积约束对设计变量的灵敏度；(7)基于获得的灵敏度构建优化准则，利用优化准则更新设计变量及水平集方程；(8)判断优化算法终止条件是否满足，若不满足，转至下一步骤，若满足，结束优化过程并输出最优拓扑结构；(9)判断应力惩罚因子调整条件是否满足，若满足应力惩罚因子调整条件，转至下一步骤，否则转至步骤(2)；(10)利用自适应应力惩罚因子调整策略调整应力惩罚因子，并转至步骤(2)。