[发明专利]带有多种材料的拓扑优化的系统和方法

说明书

技术领域

本技术领域涉及产生域拓扑结构的系统和方法，以及更确切地指使用有限元分析和多种材料类型优化域拓扑结构的系统和方法。

背景技术

结构被设计用于多种目的，并且所需性能标准取决于结构的所想要的使用和目的而广泛变化。例如，对于飞机中的组件相比较于在桥梁中的组件，重量通常是更重要的标准。对于一定的形状，分析方法可被用来创建数学模型或拓扑结构，例如“I”形梁，其中已知的方程形成精确的模型用于了解结构在确定的负载下将如何行为。然而，这些分析的方法对于许多复杂的形状并不容易实施。近年来，带有偏微分方程的有限元方法已经被使用来帮助设计关于复杂形状的拓扑结构。有限元分析是一种数学方法，其将区域或面积分解成多个有限元，并且计算施加的负载将如何影响每个单元或节点。

在预研阶段有限元分析被使用作初步设计工具。处于施加的负载下的通常的域能够被分析，并且结果能够在结构的设计中有所帮助。除了有限元分析的许多因素被使用来确定结构的最终形状，例如工艺性、美学性、成本等等，因此从有限元分析的拓扑结构是一种被使用来帮助设计结构的工具。因为对可能的结构形状建模来估计性能通常比生产和测试样品更经济，所以有限元分析开始流行。多种多样的应力能够被分析，例如应变能、应力、质量、体积、温度、位移、速度和加速度等等。

在一些实施例中，初始的域被确定并且被划分成多个有限的单元。有限元分析从给定的负载向量计算至创建拓扑结构的应变能，通过确定预先设定的材料类型是否应该存在或不存在于每个单元。然而，对于优化拓扑结构，现有的商业上可用的程序被限于单一的材料类型。由于许多产品和结构使用超过一种材料类型，对于每种材料类型的有限元分析必须单独进行。这限制了来确定并入多于一种材料类型的不同的特性的优化的拓扑结构设计的能力。

因此，需要提出用于产生对于多种类型材料的拓扑结构设计的系统和方法。此外，需要提出对于多种类型材料同时优化拓扑结构设计的系统和方法。而且，结合附图与本发明的此背景，本实施例的其它的理想的特征和特点将从随后的详细说明和随附的权利要求变得清楚的。

发明内容

一种用于产生拓扑结构设计的方法被提出。本方法包括将问题约束输入计算机，其中问题约束包括域、负载向量、目标函数和多种材料类型。域被划分成多个单元，其中单个的单元与一种材料类型相关联，使得多种类型材料中的每一种与超过一个的单元相关联。关于单元的单元变量被计算，并且计算机确定计算是否完全。如果计算不完全，则关于单元的单元变量的计算步骤被重复。如果计算是完全的，拓扑结构设计被输出。

根据另外的实施例，一种用于产生拓扑结构设计的系统被提出。此系统包括带有非瞬时性计算机可读的媒介、输入设备和输出设备的计算机。计算机被配置来接收来自输入设备的问题约束的进入，其中问题约束包括域、负载向量、目标函数和多种材料类型。计算机也被配置来将域划分成多个单元，其中单个的单元与一种材料类型相关联，使得多种材料类型中的每一种与超过一个的单元相关联。计算机迭代地计算关于单元的单元变量直至计算是完全的，并且由此计算机输出拓扑结构设计。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种产生设计拓扑结构的方法，其中该方法包括下列步骤：

将问题约束输入至计算机中，其中该问题约束包括域、负载向量、目标函数以及多种材料类型；

将该域划分成多个单元，其中单个的单元与一种材料类型相关联，使得多种材料类型中的每种与超过一个的单元相关联；

计算对于所述单元的单元变量；

确定该计算是否是完全的，并且如果计算不是完全的，重复对于所述单元的所述单元变量的计算；以及

如果所述计算是完全的，输出该设计拓扑结构。

2. 根据方案1所述的方法，其中该目标函数包括最小应变能，并且其中确定所述计算是否是完全的进一步包括确定对于所述单元的所述单元变量是否代表空值或满值，并且所述最小应变能的所述目标函数是否被优化。

3. 根据方案1所述的方法，其中：

将所述问题约束输入进一步包括输入包括最大可允许质量的所需性能标准。

4. 根据方案1所述的方法，其进一步包括：

在计算所述单元变量之后，促使所述单元变量接近空值或满值。

5. 根据方案1所述的方法，其中该域包括三维，其中每个单元包括单元面以及其中：

将该域划分成多个单元进一步包括将该域划分成多个单元，其中对于每个单元的所述单元面邻接域边界，或者邻接代表不同的材料类型的所述单元的所述单元面。