[发明专利]基于拓扑优化的柔性工装设计方法

说明书

本发明公开了一种基于拓扑优化的柔性工装设计方法，包括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、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、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。本发明将拓扑优化技术应用于柔性工装设计中，设计过程简单，通过对工装进行局部刚度控制，准确模拟试验件真实边界条件，提高试验的真实性。

技术领域

本发明属于柔性工装设计的技术领域，具体涉及一种基于拓扑优化的柔性工装设计方法。

背景技术

在力学试验中，通常需要利用工装对试验件进行固定，起到边界模拟效果。传统的工装设计方法一般凭借工程经验，在考虑工装与试验件的连接方式的基础上追求工装刚度的最大化，即试验中工装基本不发生变形。然而，一些试验件在整体模型中(包括试验件及与之连接的其他部件)的连接处存在变形，即试验件边界并非完全刚性，此时若使用传统方式设计的刚性工装对试验件进行固定，将无法模拟试验件真实边界条件进而很大程度地影响试验的准确性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于拓扑优化的柔性工装设计方法，以解决传统技术无法模拟试验件真实边界条件进而影响试验准确性的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于拓扑优化的柔性工装设计方法，其包括以下步骤：

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。

进一步地，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。

进一步地，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：

进一步地，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