[发明专利]多物理场工况结构多目标拓扑优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及工程结构优化设计领域，尤其涉及多物理场耦合工况条件下结构的多目标拓扑优化设计方法。

背景技术

结构优化设计的目的是为设计人员提供高效、可靠、系统的最优结构优化设计策略，寻求既安全可靠又经济适用的结构形式。结构优化设计大大节省产品设计的时间和费用，提高产品性能。结构优化设计已经被广泛应用于汽车、船舶、航空航天、机械制造等领域。

与尺寸优化和形状优化相比，拓扑优化具有的设计自由度更多，设计空间更大，优化效果更好。连续体拓扑优化的理论方法在工程设计中逐渐成为初始概念设计的重要工具。在这其中使用最为广泛的拓扑优化方法是以Solid Isotropic Material with Penalization(SIMP)方法为代表的变密度方法。

在设计初期阶段，设计人员无法全面的认知整个产品设计需求和产品的实际工况条件，往往采用较为简单的结构模型和简化过的数学模型，如最小化柔度作为优化目标，结构体积作为约束条件；最小化结构重量作为优化目标，单元应力作为约束条件；最大结构自振频率作为优化目标。以上皆为单一目标结构优化设计，不能够完整反映整个产品设计需求及其实际工况条件，因此我们希望能建立多目标结构优化目标函数，其中包含能够完整体现产品实际工况条件的每一个单一目标。同时，多数产品的设计需求来源于其在不同物理场条件下的性能，或产品在使用工作过程中涉及多物理场耦合作用，如大兆瓦风电制动器制动过程中，制动闸片与制动盘接触时，制动闸片需要满足静力学、热力学、动力学等性能的要求。因此，在对产品结构进行优化设计时，需要建立多物理场工况下多目标结构优化目标函数。

文献1“范文杰，范子杰，苏瑞意.汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究.中国机械工程.2008,19(12)：1505-1508”公开了一种以静态多工况下刚度和动态振动频率为目标函数的车架结构，提出了一种结构的多目标拓扑优化研究方法。其基于实体各向同性材料惩罚函数的拓扑优化方法，采用这种规划法定义多目标拓扑优化和多刚度拓扑优化的目标函数，而振动固有频率拓扑优化的目标函数则采用平均频率法定义，通过优化得到了同时满足静态刚度和振动低阶频率要求的汽车车架结构拓扑。

文献1公开的方法虽然针对车架结构进行了考虑刚度和振动频率的优化，但其优化依然为2D平面结构，难以提高方法在实际工程问题中的应用适应度。同时，多目标优化过程仅仅考虑了汽车车架结构的振动低阶频率，并没有针对实际工况条件得到适宜的频率优化范围。

文献2“胡三宝.多学科拓扑优化方法研究.华中科技大学.2011”公开了一种躲屋里耦合拓扑优化问题的统一建模和求解方法，研究了连续体结构拓扑优化中常见工程约束的实现问题，建立了统一的含有多个目标函数和约束函数的多物理场拓扑优化问题和数学模型，推导了基于有限元方法的统一的PDE求解方法，目标及约束函数的优化模型的求解方法。将多物理耦合场拓扑优化问题推广到一般格式，并将该方法成功运用于2D/3D耦合场问题的拓扑优化工程实例当中。

文献2所公开的方法虽然适用于多物理场拓扑优化问题，但其优化目标仅仅局限于结构的刚度，并未实现所优化工程结构动态振动频率的优化，其多目标优化函数中没有考虑每一个单一目标的权重值。同时，优化过程中，没有兼顾所优化工程结构的加工工艺性。

文献3“刘远东，莫军，尹益辉，徐兵.考虑热振特性的连续体结构拓扑优化.振动与冲击.2016,35(17)：113-116”公开了一种为实现传热和振动条件下，连续体结构的拓扑优化设计，以结构散热弱度最小化和动态特征值最大化加权函数为目标，建立了传热和振动条件下连续体结构的多目标拓扑优化模型，实现了相应的算法和算例。其利用Rational Approximation of Material Properties(RAMP)方法对密度进行惩罚，通过归一化目标函数有效避免了不同性质目标函数的量级差异，通过算例获得了热-振权重系数对结构拓扑构型和目标函数的影响规律。

文献3所公开的方法虽然考虑了热-振权重系数对结构拓扑优化的影响，探索了相关参数对其优化目标函数的影响规律。但并没有解决实际工程问题中相似工况条件下的连续体3D结构问题。

发明内容