[发明专利]多物理场工况结构多目标拓扑优化设计方法

摘要

本发明提供了多物理场耦合工况条件下，结构的包含刚度和频率在内多目标拓扑优化设计方法，利用此方法设计的结构能够在使用最少材料的基础上保证结构的力学性能，同时改善固有频率特征。首先应用三维建模软件Pro/E建立待优化结构模型。对模型在多物理场耦合工况条件下进行耦合场有限元分析，得到每个节点的等效应变信息。对模型进行模态分析，得到结构的固有频率信息。在已知系统振动频率的前提下，将已建好的模型导入拓扑优化模块，在原有边界条件下施加以等效应变为强迫位移的约束条件。根据折衷规划理论建立包含刚度分量和频率分量在内的综合目标函数，然后进行拓扑优化得出结构的密度云图。根据密度云图，得到所设计的最终结构。

主权项

一种多物理场条件下结构多目标拓扑优化设计方法，其特征在于包括如下步骤：—根据优化目标物体的结构，建立该物体的三维模型，确定三维模型中非优化区域及优化区域；—对所述的三维模型在多物理场耦合条件下进行有限元分析，得到等效应变；—对所述的三维模型进行有限元模态分析，得到所述三维模型的前n阶固有频率，n为≥1的整数；—根据需要优化物体的材料属性设定所述三维模型的材料属性，设定优化过程中的体积百分数，该百分数为优化区域优化后体积与优化前体积之比；对三维模型施加边界条件以及载荷，所述载荷中至少包括所述多物理场耦合分析得出的等效应变，该等效应变以强迫位移的形式逐一施加在所述的三维模型，强迫位移迫使需要优化物体的结构发生如同多物理场耦合分析结果中的形变；—设置包含能够代表各物理场结构特性的参数的权重ωi；利用折衷规划理论对所述的各优化目标函数进行合成，利用带有设计变量x的XH(x)与该参数的最小值的差与XH(x)的变化范围(XHmin‑XHmax)的比值来消去量纲不同引起的问题；—利用对各物理场参数的独立优化目标函数进行平方的方法来消去理想参数增大或减小引起的不同；对所得到的无量纲数值进行累加并开方得到多目标优化的目标函数：其中，HH(x)为代表各物理场参数的独立优化目标函数，i为参与优化物理场的个数，x为各个结构单元的相对密度，即设计变量，XH(x)为优化后结构各单物理场参数的值，XHmin和XHmax分别为该参数的最小值与最大值。