[发明专利]一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法

说明书

本发明公开了一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，包括下述步骤：采用SIMP密度插值模型进行拓扑优化；将拓扑优化结果二值化处理，得到拓扑二值图；对拓扑二值图进行边界扩充，构建e‑8邻域检测模型，利用骨架提取算法提取拓扑骨架图；设置第一约束准则；根据骨架节点判断模型对拓扑骨架图的骨架单元提取得到骨架节点图；设置合并准则合并相近骨架节点；设置第二约束准则；任意两个骨架节点之间采用线性插值生成杆件，基于e‑8邻域检测模型检测杆件路径上的8邻域的单元值情况，识别并保留杆件最终生成杆系结构。本发明提出完整的识别杆件的准则，实现计算机自动识别杆件并生成杆系结构，使拓扑优化结果便于进行建筑结构设计。

技术领域

本发明涉及结构拓扑优化技术领域，具体涉及一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法。

背景技术

建筑结构优化设计技术通过调整结构构件布局可以尽可能地提高结构抵抗外力的性能，有着十分重要的应用价值。对于钢结构或钢筋混凝土框架结构而言，一般对于结构构件布局进行优化的方法多采用离散优化方法，即在确定结构的基本构件(如钢筋混凝土框架结构的梁、柱)的基础上，对于其他构件(如斜支撑等)进行布局优化，所采用的策略基本上是枚举不同的斜支撑构件的节点连接位置，获得多个斜支撑布局方案，并对每种布局方案下的结构整体进行力学行为分析，然后比较各个方案的优劣性(通常以结构的整体抗侧刚度为指标)，从中选出最优的方案，即可认为其是最优拓扑。

然而，由于斜支撑等构件连接节点的可选方案往往非常多，因而上述计算方法的计算量十分巨大，这就意味着离散优化对于计算机硬件要求高，计算耗时长。相对而言，连续体拓扑优化技术具有更高的计算效率，但是连续体拓扑优化的结果往往并非杆系结构，而是设计域内的某一优化后的实体结构，这对于汽车构件制造等领域是可行的，因为非规则的实体结构可以通过模具等进行快速大批量工业化制造，然而对于建筑结构，不规则的实体构件制造成本极高，且不便于安装。

在现有的基于拓扑优化和骨架提取的杆系结构设计方法中，提取的骨架节点图是比较粗糙的，且是人为连成杆系结构的，人工干预性强，没有实现全部过程的计算机自动处理，不具有普遍性。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，提出完整的识别杆件的准则，实现了计算机自动识别杆件并生成杆系结构，使拓扑优化结果便于进行建筑结构设计。

本发明第二目的在于提供一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法的应用。

本发明第三目的在于提供一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的系统；

本发明第四目的在于提供一种存储介质；

本发明第五目的在于提供一种计算设备。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，包括下述步骤：

采用SIMP密度插值模型进行拓扑优化，得到拓扑优化结果；

将拓扑优化结果进行图形二值化处理，得到拓扑二值图；

提取拓扑骨架：对拓扑二值图进行边界扩充，构建e-8邻域检测模型，利用骨架提取算法检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域的单元值情况，进行非骨架单元识别，舍弃非骨架单元并保留骨架单元，提取得到拓扑骨架图；

设置第一约束准则，所述第一约束准则设定为：边界约束单元和荷载作用线单元在拓扑骨架提取过程中保持为实体单元；

构建骨架节点判断模型，根据骨架节点判断模型对拓扑骨架图的骨架节点单元提取得到骨架节点图；