[发明专利]一种基于有限细胞描述的承载结构拓扑优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于工业装备承载件优化设计方法领域，具体涉及一种基于虚实节点有限元分析的装备加强筋布局智能化设计方法。

背景技术

在现有的工业装备承载结构的设计过程中，大多采用传统加强筋布置形式，主要集中在井字型、米字型等或者以上形式的组合，设计形式过于单一，无法获得具有高比刚度的设计方案。与此同时，现有加强筋布局设计方法主要依赖于经典力学以及设计人员经验，通过反复有限元分析验证以获得最终方案，整个设计过程无法实现智能化与自动化，导致设计效率低下，无法满足工业装备的设计要求。

在使用传统有限元法进行生长式加强筋布局时，其加强筋片段的生长末端需定义在所划分的网格节点上，在网格较为稀疏时所得到的加强筋片段生长方向不能达到全局最优解；为了能够提高求解的精度，必须加密有限元网格，网格划分越密，就会直接导致计算的规模和存储空间迅速增加，从而大大降低计算效率，同时在划分网格的过程中如果结构本身形状比较复杂，那么就会非常容易产生质量很差的网格即畸形网格，计算过程将无法进行。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种基于有限细胞描述的承载结构拓扑优化设计方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

将装备承载结构布局过程离散化为若干承载加强结构在承载结构基体上的累积式生长过程，对于每个承载加强结构的累积式生长过程进行拓扑结构优化，通过拓扑结构优化使得所述承载结构的力学性能达到最优；在拓扑结构优化中承载结构的力学性能以有限细胞描述为基础进行分析计算，所述有限细胞描述是指将承载结构的几何模型用具有规则结构但尺寸存在差异的网格单元进行划分，使所述几何模型的边界以位于该几何模型内的相应网格单元进行表示。

所述拓扑结构优化具体包括以下步骤：

1)设定承载加强结构初始生长点；

2)以有限细胞描述为基础，寻找承载加强结构的最优生长方向；

3)根据最优生长方向以及生长步长完成承载加强结构的一步生长，将承载加强结构一步生长后的末端点作为下一步生长的生长点；

4)重复步骤2)以及步骤3)，使承载加强结构的拓扑迭代更新，直至满足迭代结束条件。

所述步骤2)具体包括以下步骤：自生长点向周边分别生长固定长度的承载加强结构，然后计算对应承载结构的力学性能，将力学性能最优时对应的生长角度确定为承载加强结构的生长方向。

所述迭代结束条件是指承载加强结构的整体体积达到所给定的体积上限。

所述用具有规则结构的网格单元进行划分具体包括以下步骤：将承载结构的几何模型嵌入到包围盒中，对所述包围盒划分初始网格，对初始网格进行网格细分，通过网格细分恢复所述几何模型的边界。

所述网格细分采用四叉树或八叉树细化策略。

所述网格细分包括以下步骤：

a)对初始网格与所述几何模型边界的包含关系进行判断，对于包含几何模型边界的初始网格，则进一步等分；对于不包含几何模型边界的初始网格，则不再继续划分；

b)进一步等分后，对仍包含几何模型边界的网格继续进行等分；

c)重复步骤b)，直至将最终划分得到的网格单元归类为位于几何模型内的网格和位于几何模型外的网格。

所述力学性能选自应变能。

所述网格单元采用阶谱网格。

所述承载加强结构选自加强筋。

本发明的有益效果为：

本发明将装备承载结构的几何模型嵌入到规则的网格单元，进而采用有限细胞描述对待分析结构的力学性能进行高精度的分析，避免了传统有限元方法在网格划分时所面对的畸形网格的难题，同时生成的承载结构不会受到现有网格的束缚，可以自由布置，从而能得到全局最优结果；本方法设计输出结果较之传统的拓扑优化结果更加清晰可辨，可直接为实际工程设计提供方案支持。本发明对装备加强筋布局设计十分有效。

进一步的，由于本发明通过计算应变能来完成承载结构布局设计，所以能够生成刚度明显优于经验设计的结果。

附图说明

图1为原始细胞的生成示意图；

图2为待分析结构模型边界处网格细分的示意图；

图3为高斯积分点示意图；

图4为导入的装备模型示意图(几何信息及边界条件)；

图5为设定生长点位置及寻优区间示意图；

图6为加强筋的生长过程及结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。