[发明专利]基于拓扑优化的柔性工装设计方法

权利要求书

1.一种基于拓扑优化的柔性工装设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、以试验件在整体模型状态下作为研究对象进行有限元分析，提取试验件位移约束点位移以及支反力；

S2、采用局部刚度约束方法，对模型局部位移进行约束；

S3、基于试验件局部位移的约束，建立拓扑优化问题；

S4、对柔性工装进行设计域划分，并构建柔性工装的等效构型；

S5、基于拓扑优化问题，拓扑优化柔性工装的等效构型，以获取柔性工装的优化构型；

S6、将试验件在工装夹持状态下的仿真数据与整体模型中试验件仿真数据作对比，若两者差值大于阈值，则返回步骤S5；反之结束。

2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的柔性工装设计方法，其特征在于，所述步骤S1中的试验件位移约束点位移包括X向位移和Z向位移；支反力包括X向支反力、Y向支反力和Z向支反力。

3.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的柔性工装设计方法，其特征在于，所述步骤S2中对模型局部位移进行约束，其局部刚度约束函数为：

其中，u_zx表示模型第z处局部刚度约束处的位移计算值，u_z表示第z处位移约束给定值，Z表示约束位移点的个数；

对局部刚度约束函数进行关于单元设计变量ρ的灵敏度求解：

4.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的柔性工装设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

以最小化应变能为目标，以设计域体积分数小于给定值、连接处位移与提取位移小于给定值作为约束条件建立拓扑优化问题：

find:ρ＝{ρ₁,ρ₂,...,ρ_N}^T

min:F^TU＝U^TKU

s.t.:F＝KU

0＜ρ_min≤ρ_e≤1,e＝1,2,...,N

其中，K表示结构的总刚矩阵，U表示位移向量，F表示外载荷向量，T表示向量转置，u_zx表示第z处位移计算值，u_z表示第z处位移约束值，Z表示约束位移点的个数，v_e表示单元体积，V^*表示材料体积用量，ρ表示拓扑单位设计变量，ρ_e表示某个单元的密度，N表示设计域被离散为N个单元，ρ_min表示密度下限，u_n表示第n处求解位移，a表示位移约束值。

5.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的柔性工装设计方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

与试验件连接部件构型为基础，确定试验工装初始构型，保留工装边界连接处，其余部分作为设计域，完成设计域划分后进行网格划分，并提取支反力施加于对应位置的约束点，设定固支边界条件，根据提取的支反力设定局部刚度约束条件。

6.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的柔性工装设计方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

定义收敛条件，初始化单元伪密度，提供初始迭代点；

采用PDE过滤棋盘格数值，并通过非线性过滤降低结构优化最终灰度；

基于有限元求解各种结构响应量，并求解目标约束函数响应；

更新伪密度，迭代进行下一轮计算，进行敏度求解，求解目标约束函数对物理密度导数；

求解过滤敏度，通过链式法则将上一轮对物理密度导数变换为对伪密度导数；

进行优化求解，使用移动渐进线法优化器求解下一轮伪密度；

进行收敛判断，判断迭代指标是否满足收敛条件，若满足条件则优化结束，反之再次循环，进行优化。