[发明专利]一种基于规则的体结构演化设计方法

摘要

本发明涉及一种基于规则的体结构演化设计方法。首先，对输入的表面模型进行离散化处理，实现模型的体素化，将设计与评估统一到一个计算域中，构建多Agent系统定义外部环境。其次，通过Agent感知自身所处的环境信息与自身属性进行判断，并基于可废止规则进行模型演化，并实时的反馈FEA的分析结果到演化过程，并由Agent感知改变自身的行为属性，同时改变轻量化模型的内部结构。最后，对生成的轻量化模型进行表面重建和相关参数验证。实验证明本方法非常适应于3D打印轻量化模型的构建。

主权项

1.一种基于规则的体结构演化设计方法，其特征在于，操作步骤如下：1)体素化：采用八叉树方法对输入的网格模型体素化，并将设计与评估统一到一个计算域中；2)初始化：构建多Agent系统，定义外部环境；3)可废止规则演化：Agent感知自身所处的环境信息与自身属性进行判断，并基于可废止规则进行模型演化；4)有限元分析：通过有限元分析对生成的模型进行评估检测，并实时的把体素受到的应力值反馈到结构的演化过程，并由Agent感知；5)表面重建：轻量化体素模型结构的表面重建；6)参数验证：演化生成的网格模型进行参数的验证；所述步骤2)初始化具体为：采用元胞的V.Neumann邻域和Moore邻域为Agent系统定义一个环境，通过生成的体结构来初始化多Agent系统，将每一个体素与其邻域定义为一个智能Agent，根据体结构的多层次性，将模型在不同层次上进行定义，把面向功能的设计问题解释为一个多Agent系统的优化问题，每一个Agent基于环境改变自身的结构，并通过定义简单的规则来驱动模型的优化；所述步骤3)可废止规则演化具体为：模型中微观结构相互作用非常复杂，不同的设计需求需要经常更换规则，通过可废止的规则定义Agent的行为，Agent通过感知自身所处区域的环境信息，并根据自身属性与给定规则进行判断，做出删除体素和更新体素状态等行为；Agent的行为会通过改变局部环境改变模型的结构，采用一种简单的交互方式来控制和引导复杂的设计系统；所述步骤4)有限元分析具体为：在结构演化过程中，评估与反馈的结果由Agent感知，根据不同的设计需求，建立多种评估与感知方式嵌入到设计框架中，Agent能够在环境中感知到这些结果，并通过有限元分析对生成模型进行评估检测，实时的把体素受到的应力值反馈到模型的演化过程中；把轻量化的需求描述为在满足力学性能的前提下使模型的体积质量尽量的小，其定义为以下的优化问题：其中v_i为一个体素，M表示原始模型，F(v_i)表示v_i所受到的应力，[σ]为许用应力，η为安全系数；在轻量化设计中，感知有两部分组成：11.状态Γ₁获得Agent本身的信息，包括其本身的状态变量S_a或从其本身的属性计算出来的指标；12.应力Γ₂获得外部的状态，在轻量化的设计中只包括从有限元分析中获得的反馈；Agent的行为包括自身状态的改变、几何特征的改变和材料的改变；在轻量化设计中，行为包括：21.Delete(v):Agent删除体素；22.Update(v):Agent更新体素状态；为了避免操作的相互干涉，限制Agent中的体素v在设计单元的中心；Agent的决策：每个Agent由感知的结果决定行为，不同的感知行为进行判断最终只能产生一个结果；设计需求通过可废止的逻辑转化成Agent期望的目标，在轻量化模型设计中，目标如下：31.事实：(a)体素应力安全，判断体素受到的等效应力是否小于η[σ]；(b)体素受到应力较小，判断其受到的等效应力是否是模型M中受力最小的10％；(c)边界体素，判断Agent中的体素是否处在模型M的边界；(d)空体素，判断体素到边界的距离值是否为0，此规则应用在初始化中，在初始化时建立每个Agent到边界的距离位置关系；(e)邻域比较距离值，判断其到边界的距离是否是邻域中最大的；32.必须遵守的规则：空体素：状态Γ₁→更新(υ)可废止的规则：(1)体素受到的应力较小：(2)邻域比较距离边界值最大：33.废止者：