[发明专利]基于多点约束的多组件结构系统布局优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多组件结构系统布局优化设计方法。特别涉及一种基于多点约束的多组件结构系统布局优化设计方法。

背景技术

航空航天、船舶、汽车等领域存在着大量的多组件结构系统设计问题。由于复杂的服役状况和苛刻的性能要求，多组件结构系统的力学性能设计问题在航空航天飞行器结构设计领域尤为突出。由于组件和支撑结构都具有其自身的力学性能，因此组件的摆放和结构的构型这两方面布局因素从根本上决定了结构系统的综合力学性能。为了提高结构系统的总体刚度，需要对整个系统的支撑结构材料分布问题和组件装填布局问题同时进行优化设计。

参照图1。文献1“Zhu J.H.,Beckers P.Zhang W.H.,On the multi-component layout design with inertial force.Journal of Computational and Applied Mathematics.2010,234(7):2222-2230”公开了一种多组件结构系统布局优化设计方法，这种方法结合了结构拓扑优化技术和装填布局优化技术，采用了网格重新划分技术，通过重新划分可移动组件周围的结构网格1，实现了组件网格2和结构网格1之间节点对节点的连接，将组件嵌入到结构网格中，并进行优化设计得到合理的结果。对于二维支撑多组件结构系统布局优化设计问题，整个优化过程所需时间为20分钟46秒。

文献1公开的方法虽然能够解决多组件结构系统的布局优化设计问题，但是该方法采用的网格重新划分技术不可避免的增加了有限元模型单元的数目，使得有限元分析不仅在前处理划分网格阶段时花费了更多时间，还增加了有限元分析计算的时间，降低了优化求解的效率，不利于处理大规模复杂问题。

发明内容

为了克服现有多组件结构系统布局优化设计方法效率低的不足，本发明提供一种基于多点约束的多组件结构系统布局优化设计方法。该方法通过建立组件和结构的有限元模型，使用多点约束技术建立组件和结构之间的连接关系，创建优化问题的数学模型，进行结构系统有限元分析并求解灵敏度信息，最终优化得到合理的结果。由于引入多点约束技术建立组件和支撑结构的连接关系，避免了组件附近的结构网格重新划分，不仅减少了有限元模型前处理所需要的时间，而且也减少了整体有限元模型的单元总数目，缩短了有限元分析计算所需的时间，可以提高多组件结构系统布局优化设计的效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于多点约束的多组件结构系统布局优化设计方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、通过组件和支撑结构的CAD模型建立有限元模型；为组件和支撑结构的材料属性赋值；定义载荷和边界条件。

步骤二、使用多点约束方法，建立组件网格2的组件连接节点3和结构网格1的结构连接节点4的位移线性关系式：

ud3-Nud4=0---(1)]]>

式中，表示组件连接节点3在d方向上的位移数值。表示结构连接节点4在d方向上的位移列向量，d为x、y或者z。N是组件连接节点3的位置坐标代入到结构网格1的型函数得到的系数行向量。

当组件连接节点3的数目大于等于1时，则建立相应的组件网格2上的组件连接节点3与结构网格1上的节点之间的位移线性关系式，并且将这些位移线性关系式改写为矩阵形式，如公式2所示：

HU＝0         (2)

式中，H为上述位移线性关系式中的系数项，U表示由结构网格1上所有的节点的位移列向量和组件网格2上所有的节点位移列向量组合形成的系统总节点位移列向量。

步骤三、建立优化问题的数学模型为：

findX＝(x₁,x₂,,x_n),ξ＝(ξ_jx,ξ_jy,ξ_jθ),j＝1,2,N_c