[发明专利]一种组件结构的拓扑优化方法及装置

说明书

本发明涉及结构优化设计的领域，提出了一种组件结构的拓扑优化方法及装置，所述方法将组件和设计域边界划分包络圆，建立约束方程；解析求解应力刚化矩阵，得到应力刚化矩阵的灵敏度；解析分析结构的模态，计算结构的固有频率灵敏度；通过优化灵敏度分析，求得目标函数和约束条件的灵敏度，采用梯度优化算法进行优化设计，得到优化结果。所述方法通过求解应力刚度矩阵的灵敏度和组件结构固有振动属性的灵敏度，通过梯度优化算法，获得应变能较小的组件结构，且有效提高了组件结构的一阶固有频率，使得组件结构的变形抵抗提高。

技术领域

本发明涉及结构优化设计的领域，尤其涉及一种组件结构的拓扑优化方法及装置。

背景技术

在航空航天、汽车设计制造领域，往往需要严格限制其零部件或整体结构的振动方式和其固有频率，以避免高速运动时与空气或地面摩擦导致的飞行器或汽车内部剧烈振动带来的消极影响甚至结构破坏。而在多工况，大负载的情况下，变化剧烈的负载带来的预应力对结构固有频率的影响已经不能忽略。所以带预应力的频率约束系统布局优化轻量化设计方法的推导和提出，有很强的现实意义。

应力钢化是指构件在无应力状态和有应力状态下的刚度变化，在有应力状态下，构件某方向的刚度显著增大。由于现实需求，对于应力刚化的研究在各个方向都有展开，对应力刚化现象的分析计算技术都已经非常成熟，几乎所有商用有限元软件都可以对结构进行与应力刚化相关的分析。但在拓扑优化中考虑应力刚化的工作，目前依然较少。

目前的研究设计工作中，大多采用半解析法或差分法得到应力刚度矩阵的灵敏度，在多工况，大范围变化负载的情况下，进行带预应力的频率约束的结构优化设计时，半解析法或差分法所得结果依然存在误差，实用性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的应力刚化矩阵灵敏度的计算方法缺乏实用性且误差较大的问题。为了解决上述问题，本发明提出了一种组件结构的拓扑优化方法及装置。本发明具体是以如下技术方案实现的：

本发明的第一个方面提出了一种组件结构的拓扑优化方法，所述方法包括：

建立应力刚度矩阵；

求解所述应力刚度矩阵，计算第一灵敏度；

分析组件结构的固有振动属性，计算第二灵敏度；

获得结构约束条件和结构优化目标；

根据所述第一灵敏度、所述第二灵敏度、所述结构约束条件和所述结构优化目标，计算组件结构的优化结构。

进一步地，所述建立应力刚度矩阵之前还包括：

将组件结构划分为多个节点；

对各个节点建立包络圆约束方程。

进一步地，所述求解所述应力刚度矩阵，计算第一灵敏度包括：

根据各个节点应力变化的可检测数据，计算第一分量；

根据应力刚度矩阵，计算伴随向量；

根据所述伴随向量，计算第二分量；

根据所述第一分量和所述第二分量，计算第一灵敏度。

进一步地，所述分析组件结构的固有振动属性，计算第二灵敏度包括：

获得各节点的振幅向量；

根据各节点的振幅向量和应力刚度矩阵，计算第二灵敏度。

进一步地，所述获得结构约束条件和结构优化目标包括：

获得组件结构的第一阶振动频率的最小值；

获得材料体积分数的最大值；

计算组件结构的最小应变能。