[发明专利]基于等效移动载荷法的结构拓扑优化方法

摘要

本发明提供一种基于等效移动载荷法的结构拓扑优化方法，用于解决现有工况中存在瞬变移动载荷条件下，需要解决结构优化的技术问题。该技术方案将瞬变移动载荷的连续作用，等效为有限个工况的多工况问题，同时为保证优化过程中考虑瞬变移动载荷的特性，根据瞬变移动载荷的作用效果，为每个工况条件施加不同权重，最终实现结构在瞬变载荷作用下的拓扑优化。本发明能够使优化目标结构在移动载荷作用下获得轻量化设计的同时，能够扩大结构拓扑优化设计对象的范围，有效保留或提高其力学性能，从而提高结构材料的利用率，改善结构的应力分布，进而大大减少设计迭代次数和设计时间。

主权项

1.一种基于等效移动载荷法的结构拓扑优化方法，其特征在于包括如下步骤：—根据优化目标物体的结构，建立该物体的三维模型，确定三维模型中非优化区域及优化区域；—对所述三维模型进行有限元网格划分，设置所述三维模型的材料属性，并根据所述三维模型的实际工况条件给定边界条件；—将优化目标物体所受的瞬变移动载荷转化为多个工况，所得到的工况总数为Nmax，Nmax为大于1的整数；—设定初始工况的序号N为1，在该工况条件下进行有限元分析；—对工况序号N进行判断，若N＝Nmax，则继续进行后续计算，若N≠Nmax，则更新工况序号，令N＝N+1，继续之前的有限元分析；—利用变密度法，将结构每个单元的相对密度x设定为设计变量，同时设定优化结果需要满足的体积百分比f，即优化结果至多保留体积与原结构体积之比，f＜1，针对有限元分析结果对结构利用变密度法进行拓扑优化，其优化目标设定为： f ( x ) = Σ i = 1 N max ω i 2 [ C i ( x ) - C i m i n C i m a x - C i min ] 2 , ]]>其中，f(x)为基于等效移动载荷法的结构拓扑优化目标函数，Nmax为所设定的工况总数，ωi为第i个工况条件的权重值，x为结构各个单元的相对密度，即设计变量，Ci(x)为在第i个工况中计算的结构柔度值，Cimin和Cimax分别为该参数的最小值与最大值，利用折衷规划理论对各个工况下的柔度进行合成，Ci(x)的变化范围限定在[Cimin,Cimax]闭区间范围内；—对优化过程中每个单元的相对密度x，即设计变量进行灵敏度分析；—对灵敏度进行独立网格过滤，使得优化后的结果边界更加光滑；—在所有工况条件下的上述过程全部完成后，判断优化后所保留的结构体积与优化前结构的体积比Vout/Vin是否满足先前设定的体积百分比f，若满足则停止计算，若不满足则对所有工况进行进一步有限元分析。