[发明专利]一种多组件系统集成一体化的多尺度拓扑优化设计方法

说明书

本发明属于一体化设计方法领域，其公开了一种多组件系统集成一体化的多尺度拓扑优化设计方法。所述方法包括：分别采用函数来描述多个组件中的各个组件，并根据离散材料优化法获取各个组件的密度，然后将各个组件的密度映射到所述宏观结构设计域划分得到的网格中，然后将支撑结构的杨氏模量与映射到所述宏观结构的网格中的各个组件的弹性模量相插值，从而得到插值后的等效弹性模量，并根据针对宏观单元均匀化的刚度矩阵K^H以及宏观尺度中宏观单元的位移场U_i，构建多组件系统集成一体化多尺度设计优化模型和对设计变量进行灵敏度分析，并迭代更新宏观尺度及微观尺度中的设计变量。本发明实现了多组件系统集成一体化的多尺度优化设计。

技术领域

本发明属于一体化设计方法领域，更具体地，涉及一种多组件系统集成一体化的多尺度拓扑优化设计方法。

背景技术

传统的设计方法根据结构设计选择材料，然后设计出给定材料的最佳结构。目前增材制造赋予了更多设计自由度，结构往往设计成多孔结构或点阵结构，周期性多孔复合材料在减轻重量提高效率的同时，可以达到给定的强度和刚度目标，使整体结构提升性能的前提下达到减重目标。多尺度一体化设计是假设宏观结构是由周期性的微结构排列组成，两尺度的并行设计包括两个阶段的耦合过程，外部阶段是宏观结构在边界条件、施加载荷以及约束条件下获得结构的最佳布局；由于每个宏观单元被当做具有伪密度的元素，因此单元又可划分为具有中间密度的微结构表示，所以内部阶段可看做是微观结构的拓扑优化来优化单元格以获得有效的弹性矩阵。多组件系统集成在有限的设计区域内嵌入特定不变形状的一个或多个组件来满足所需的功能要求。多组件系统综合各种性能指标对嵌入对象重新优化布局，简化制造过程和节约成本。多组件系统嵌入宏观结构寻找最优布局，整体结构的性能指标不仅受宏观因素的影响，微观材料结构也影响嵌入式组件的最佳位置和结构的最佳布局。多组件系统集成应用中往往要求整体轻量化设计，但同时需要达到更高的性能目标。

因此本领域亟需建立多组件系统集成一体化模型进行多尺度拓扑优化设计方法，实现在多组件系统嵌入宏观结构过程中，得到嵌入式组件的最佳位置和结构的最佳布局，从而实现整体轻量化设计、获取更高的性能目标。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多组件系统集成一体化的多尺度拓扑优化设计方法，其中结合基于多组件系统集成一体化优化设计，相应的将多组件通过函数映射到设计域的划分的网格中，同时将支撑材料以及嵌入的多组件弹性模量相插值，从而得到支撑结构与映射到所述宏观结构网格中各个组件的插值后的等效弹性模量，然后基于有限元分析获取宏观结构和微观单元的位移场，并通过构建多组件系统集成一体化多尺度设计优化模型，然后对宏观尺度及微观尺度中的设计变量进行灵敏度分析，并迭代更新宏观尺度及微观尺度中的设计变量，从而确定多个组件的最优位置和支撑结构的最优布局，本发明同时考虑了组件的材料属性及数量、组件间及组件与设计域间的相互约束、不同性能指标的综合以及宏观载荷和边界条件对宏观结构布局的影响等多个关键因素，实现在多组件系统嵌入宏观结构过程中，得到嵌入式组件的最佳位置和结构的最佳布局，从而实现整体轻量化设计、获取更高的性能目标。

为实现上述目的，本发明提出了一种多组件系统集成一体化的多尺度拓扑优化设计方法，包括以下步骤：

S1对设计材料结构的宏观结构设计域进行网格划分，使得该宏观结构设计域划分为多个宏观单元，将所述多个宏观单元分别进行网格划分，得到各个宏观单元的多个微观单元；

S2分别采用函数来描述多个组件中的各个组件，并根据离散材料优化法获取各个组件的密度，然后将各个组件的密度映射到所述宏观结构设计域划分得到的网格中，以形成嵌入式组件；

S3将设计材料结构的支撑结构与映射到所述宏观结构的网格中的各个组件的弹性模量相插值，从而得到支撑结构与映射到所述宏观结构网格中各个组件的插值后的等效弹性模量；