[发明专利]考虑结构-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法

说明书

本发明公开一种考虑结构‑载荷‑边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法，包括如下步骤：1)判断结构拓扑优化过程是否有结构‑载荷‑边界耦合存在；2)如果有结构‑载荷‑边界耦合存在，采用考虑结构‑载荷‑边界耦合影响的机械结构拓扑优化设计方法，在结构拓扑优化设计的每次迭代运算时均对载荷、边界条件进行更新，直到得到最终的结构拓扑优化设计结果；如果无结构‑载荷‑边界耦合存在，仅以结构材料分布为变量优化迭代。当存在结构‑载荷‑边界耦合时，通过本发明的优化设计方法可使得结构拓扑优化设计结果更加可靠与准确；而且先判断是否存在结构‑载荷‑边界耦合，有效避免了无结构‑载荷‑边界耦合时盲目更新导致的计算成本增加的问题。

技术领域

本发明涉及一种考虑结构-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法，属于机械结构优化领域。

背景技术

机械结构拓扑优化设计方法作为一种重要的机械结构优化方法，其一直以来都是相关领域内研究的重点。其以材料分布为优化对象，根据给定的载荷工况、优化约束条件和优化性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化，以在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的材料分布方案。

在结构拓扑优化过程中，常以某特定载荷下的变形、振动等为结构特性衡量指标。例如该载荷为惯性载荷时，其载荷大小会取决于结构本身质量，而载荷作用点会取决于结构质心。随着拓扑优化迭代过程中结构的不断变化，结构质量与质心会发生变化，惯性载荷的大小和作用点也会随着发生变化，从而引起结构在该载荷下的变形亦会变化，导致最终的结构拓扑优化结果会有所不同。可见：在拓扑优化设计过程中，结构自身的变化引起惯性载荷大小与作用点(受载边界条件)发生变化；而惯性载荷大小与作用点(受载边界条件)的变化又会影响最终的结构拓扑优化设计结果，从而形成结构-载荷-边界耦合影响，而该耦合会影响最终的结构拓扑优化设计结果。

而又例如当该载荷为物体在均匀流体中所受到的作用力时，该载荷与物体的横截面积有关，随着拓扑优化迭代过程中结构横截面面积与横截面形状的变化，会引起该载荷的变化，同样会出现结构-载荷-边界耦合。

因此，当机械结构所承受载荷大小、边界条件(边界条件包括受载边界条件、约束边界条件，其中受载边界条件包括载荷作用点，载荷方向)对机械结构本身有依赖性时，即载荷大小、边界条件会随着拓扑优化过程中结构的变化而发生变化，则存在结构-载荷-边界耦合，其必然对结果拓扑优化结果会产生重要影响。

现有的结构拓扑优化设计方法往往只考虑其结构本身的变化，不涉及三者耦合的影响，使得优化结果存在较大误差。

发明内容

发明目的：针对现有的结构拓扑优化设计方法误差较大的问题，提供一种考虑结果-载荷-边界耦合影响的结构拓扑优化设计方法。

技术方案：本发明所述的考虑结构-载荷-边界耦合影响的机械结构拓扑优化设计方法，包括如下步骤：

1)判断结构拓扑优化过程是否有结构-载荷-边界耦合存在；

2)如果有结构-载荷-边界耦合存在，采用考虑结构-载荷-边界耦合影响的机械结构拓扑优化设计方法，在结构拓扑优化设计的迭代过程中，每一次迭代运算时均对载荷、边界条件进行更新，直到得到最终的结构拓扑优化设计结果；如果无结构-载荷-边界耦合存在，结构拓扑优化过程中则无需对载荷与边界条件进行更新，仅以结构材料分布为变量进行优化迭代。

上述步骤1)中，判断方法为：分析优化结构所承受的载荷、边界条件是否对机械结构本身有依赖性，即是否会随着结构拓扑优化过程中结构的变化而发生变化，如果优化结构所承受的载荷、边界条件对机械结构本身有依赖性，说明结构拓扑优化设计过程中有结构-载荷-边界耦合存在；反之则无。

上述步骤2)中，每一次迭代运算时对载荷、边界条件进行更新的方法为：在结构拓扑优化设计的迭代过程中，根据本次结构拓扑优化设计迭代结果对载荷、边界条件进行更新，在更新后的载荷与边界条件下进行下一次结构拓扑优化设计迭代运算。