[发明专利]一种结构加强筋分布的几何-尺寸协同优化设计方法

说明书

本发明提供一种结构加强筋分布的几何‑尺寸协同优化设计方法，包括：步骤1，建立优化设计的数学模型；步骤2，建立初始的加强筋结构有限元模型，并分析获得目标函数的初始值；步骤3，选定加强筋的活动节点线x、y坐标，并定义协同优化设计参数；步骤4，计算目标函数关于x、y坐标的灵敏度，更新加强筋的活动节点线的坐标值，从而完成加强筋的几何优化，并重构有限元模型进行有限元分析；步骤5，计算目标函数关于加强筋厚度的灵敏度数值，并优化加强筋的厚度，而后重构有限元模型进行有限元分析；步骤6，判断优化过程是否收敛，当判断为不收敛时，则重复步骤4～5，进一步优化加强筋，当判断为收敛时，则结束优化，得到最优加强筋分布。

技术领域

本发明涉及一种结构加强筋分布的几何-尺寸协同优化设计方法。

背景技术

布置加强筋是提升结构力学性能的常用手段之一，已被广泛应用于船舶、车辆、航空航天等现代装备结构中，快速有效地设计加强筋分布以最大化提升结构力学性能具有重大意义。

目前已有多种加强筋分布优化设计方法被有效应用，主要分为基于单元密度的结构拓扑优化方法和基于基结构法的分布优化方法。前者所获得加强筋分布形态不够清晰，需要进一步后处理才能得到真正的加强筋分布，而后处理后的加强筋分布其最优性无法保证；后者所得结果具有清晰的加强筋分布构型，但由于受到基结构几何特性的限制，加强筋具有特定的分布角度，如0°、45°、90°、135°，设计自由度受到限制。因此针对基结构法得到的加强筋分布，开展进一步的几何优化，则能有效地消除基结构对优化结果的限制，进一步提升工程结构的力学性能。此外，基于基结构的加强筋分布设计的结果，还需进一步对加强筋的厚度进行优化，以进一步提高结构的力学性能，减轻结构的自重。因此，需要一种能够解决上述问题的优化方法。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种结构加强筋分布的几何-尺寸协同优化设计方法。

本发明提供了一种结构加强筋分布的几何-尺寸协同优化设计方法，用于优化加强筋的几何形态和尺寸，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，根据设计需求，建立优化设计的数学模型；步骤2，建立初始的加强筋结构有限元模型，并分析获得数学模型中目标函数的初始值；步骤3，选定加强筋的活动节点线x坐标和y坐标，并定义协同优化设计参数；步骤4，计算目标函数关于活动节点线x坐标和y坐标的灵敏度，采用序列二次规划算法更新加强筋的活动节点线的坐标值，从而完成加强筋的几何优化，并重构有限元模型进行有限元分析；步骤5，计算目标函数关于加强筋的厚度的灵敏度数值，并采用移动渐进线算法对加强筋的厚度进行尺寸优化，而后重构有限元模型进行有限元分析；步骤6，判断优化过程是否收敛，当判断为不收敛时，则重复步骤4至步骤5，进一步对加强筋的几何形态和厚度进行优化，当判断为收敛时，则结束优化过程，得到最优加强筋分布。

在本发明提供的结构加强筋分布的几何-尺寸协同优化设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，几何形态包括加强筋长度、分布角度以及位置，尺寸为加强筋厚度。

在本发明提供的结构加强筋分布的几何-尺寸协同优化设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，优化设计的数学模型为：

式(1a)-式(1h)中，x和y是加强筋活动节点线的坐标位置，T是加强筋的厚度，M和N分别是活动节点线和加强筋的总数，Ω和D分别是活动节点线集合和加强筋集合，F是协同优化设计的目标函数，l和h分别是加强筋单元的长度和高度，V是初始分布优化设计中加强筋结构的体积，x_min和x_max分别为活动节点线x坐标的最小值和最大值，y_min和y_max分别为活动节点线y坐标的最小值和最大值，T_min和T_max分别为加强筋板厚的最小值和最大值。