[发明专利]一种面向高比刚度的机床支撑件筋板布局智能化设计方法

权利要求书

1.一种面向高比刚度的机床支撑件筋板布局智能化设计方法，其特征在于包含下述具体步骤：

1）拟三维创成空间模型构建

将机床支撑件结构简化为内部筋板与外围壁板的组合体，将组合体进一步抽象为由壳单元与虚拟弹簧单元组成的拟三维创成空间模型，其中壳单元用来模拟机床支撑件的外围壁板而虚拟弹簧单元则用来模拟机床支撑件的内部筋板，根据机床支撑件的承载关系，选定其中一个外围壁板作为承载面，并将承载面设定为内部筋板投影构型的创成空间，在承载面上相邻壳单元节点之间添加与壳单元节点相互耦合的梁单元；

2）承载面上筋板投影构型的自适应创成

以承载面上梁单元截面高度h为设计变量进行优化，通过优化改变设计变量的值，实施梁单元增长过程中的分叉与退化操作，实现承载面投影构型的最优创成，由于截面高度h是唯一决定梁单元重量的几何尺寸，则自适应创成过程的实质为材料的最优分配，整个优化过程的数学模型如下：

设计变量：W=[W₁,W₂,…,W_N]

目标函数：总应变能最小Minf(W)

约束条件：W_sum≤W₀

WiU>Wi>WiL,i=1,2,...,N]]>

其中，f(W)是支撑件结构模型的总应变能，W_sum是支撑件结构模型的总质量，W₀是预先给定的支撑件结构模型质量上限，W_i是第i个设计变量，N是设计变量的个数，表示W_i的上限值，表示W_i的下限值；

3）机床支撑件筋板布局的后处理

经过步骤2）后，去除拟三维创成空间模型的虚拟弹簧单元，将承载面上的最优投影构型沿某一方向做拉伸处理，获得机床支撑件内部筋板的结构布局。

2.根据权利要求1所述一种面向高比刚度的机床支撑件筋板布局智能化设计方法，其特征在于：所述承载面上筋板投影构型的自适应创成，具体步骤如下：

1）依据机床支撑件的实际安装约束和受载情况，对构建的拟三维创成空间模型施加边界约束以及载荷；

2）定义求解类型为结构静力学分析，求解初始化模型，设定分析的显示结果为等效应力，计算结构变形的总应变能；

3）存储设计变量参数h和结构变形总应变能的值；

4）设定结构自适应智能优化的约束参数W₀，设定结构优化过程中每次循环迭代给定的材料增量ΔW，设定竞争梁单元的分叉阈值h_b以及退化阈值h_d；

5）选取承载面上初始应变能相对较高的若干点为创成起始点，选定的点被包含在创成点集合{B}中，创成点四周可增长的梁单元包含于准备竞争增长的梁单元集合{C}中；

6）每一次循环迭代，集合{C}中参与竞争的各个梁单元的重量按照相应的广义灵敏度D值正比分配材料增量ΔW，实现材料的最优分配，各竞争梁单元增长后的重量迭代计算准则如下：

Wi(k+1)=α·(Di·ΔWDsum)(k)+(1-α)·Wi(k),(i=1,...,N)]]>

Dsum=Σi=1NDi]]>

其中，E为当前结构的总应变能，为总应变能对竞争梁单元重量的灵敏度，α表示迭代步长因子，k表示迭代的步数；

7）由于梁单元截面宽度b为定值，梁单元截面高度h是唯一决定梁单元重量的几何尺寸，每次循环中材料的分配可反映为各个竞争梁单元截面高度h的更新变化，如果更新后竞争梁单元的截面高度小于退化阈值h_d，认为该竞争梁单元满足退化条件，从竞争梁单元集合{C}中移除，其两端节点也从创成点集合{B}中移除，并将其截面高度赋值为h_d；如果更新后的截面高度大于或等于分叉阈值h_b，则认为该竞争梁单元具有分叉能力，则将其赋值为h_b，同时其两端的节点作为新的创成点添加到创成点集合{B}中，且将新的创成点四周相接的所有梁单元添加到集合{C}中，以在下一循环中参与竞争材料的分配；

8）存储更新后的设计变量参数h，更新整个拟三维创成空间模型，计算更新后的结构模型的材料总重量，判断其是否达到总质量上限W₀，如果达到，则循环迭代终止，否则重复上述迭代步骤；

9）整个自适应优化迭代结束后，在[h_d，h_b]上选择值h_v作为进一步筛选梁单元的标准，过滤掉横截面高度小于h_v的梁单元，则保留下的梁单元同承载面一同构成具有清晰布局且最优合理的薄板加筋结构，即获得机床支撑件内部筋板在承载面上投影的最优布局。