[发明专利]复杂装配体的构件拓扑优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构优化设计方法，特别涉及一种复杂装配体的构件拓扑优化设计方法。

背景技术

结构拓扑优化在工程结构设计的初始阶段起着重要的作用，可为设计者提供一个结构布局最优方案的概念性设计。在现阶段，国内外对复杂装配体结构的优化设计通常仅开展低层次的尺寸优化，设计自由度有限，设计结果的最优性受到限制。从结构优化设计理论出发，对结构进行全面的优化设计必须从基于结构拓扑优化的概念设计开始，再通过结构形状优化、尺寸优化的详细设计，从而得到最优结构。但是由于目前结构拓扑优化、形状优化技术对于复杂装配体结构开展还存在诸如设计变量多、构件之间结合部接触定义不准确、优化数学模型不易确定等问题而受到限制，因此结构拓扑优化技术基本上在构件层面上进行，这样不仅能大大节省计算机时，而且具有较成熟的算法。

对构件进行拓扑优化设计的一个突出问题就是构件边界条件的确定。由于复杂装配体结构受力复杂，尤其是构件之间接触定义难，准确确定构件的边界条件相当困难。然而正确的边界条件是得到合理的优化设计结果的必要条件。对于静不定结构系统中的构件拓扑优化来说，由于在优化过程中构件的材料分布变化将导致边界条件的变化，因此在优化过程中如何准确地确定构件的边界条件，使设计结果最优是一个难题。

发明内容

本发明是针对结构拓扑优化中确定构件的边界条件困难的问题，提出了一种复杂装配体的构件拓扑优化设计方法，通过基于子结构的方法，在构件结构拓扑优化过程中准确确定其边界条件，使构件结构拓扑形态逐步趋优。

本发明的技术方案为：一种复杂装配体的构件拓扑优化设计方法，包括如下具体步骤：

1）建立装配体有限元模型并分析，在装配体模型中将需优化的构件作为子结构，提取子结构边界条件并导出；建立子结构模型，将提取的边界条件加载到子结构模型（优化对象）上进行分析，验证子结构模型边界条件的正确性；

2）建立优化对象的子结构模型，设定优化迭代参数ε_c 、ε_v 和ε_vs，其中ε_c为预定含优化构件的装配体的总体应变能变化量的限值，ε_v为预定的最终优化构件总的体积变化量的限值，ε_vs为预定的优化对象在一次提取其边界条件后进行拓扑优化时构件的体积变化限值。提取优化对象子结构的边界条件，建立优化对象的子结构模型，将提取的边界条件施加于优化对象上，采用密度法对优化对象进行拓扑优化；

3）判断优化对象体积变化是否超过ε_vs，如体积变化未超出ε_vs，对优化对象继续在本次提取的边界条件下进行拓扑优化迭代；如体积变化超出ε_vs，则终止本次提取的边界条件下的拓扑优化迭代，并将得到的优化构件代入装配体并分析，判断是否满足优化终止条件，当满足优化终止条件时，终止整个优化迭代进程，得到最终的优化结构；否则，重新提取优化对象的边界条件，在新的边界条件下继续对优化对象进行拓扑优化迭代。

所述步骤1）中所述验证子结构模型边界条件的正确性是将在装配体分析时提取的边界条件施加到子结构上进行分析运算，最后比较子结构模型分析时与装配体分析时的响应指标，验证子结构模型边界条件的正确性。

所述步骤2）中所述预定的优化对象在一次提取其边界条件后进行拓扑优化时构件的体积变化限值ε_vs的确定条件是，当体积变化不超过ε_vs值时，构件边界条件的变化在经验值的范围内。

所述步骤2）中所述优化对象与其他构件之间的连接部分应保持不变，因此优化对象的设计区域是除去优化对象构件与其他构件的连接处及施加载荷处的单元区域，以此保证优化对象在优化设计后能重新装配入装配体中。

所述步骤2）中所述优化迭代条件是在满足结构体积减少量的同时，使构件的应变能最小，即刚度最大。