[发明专利]一种基于应力惩罚和自适应体积的结构拓扑优化设计方法

摘要

本发明属于结构优化设计相关技术领域，并公开了一种基于应力惩罚和自适应体积的结构拓扑优化设计方法，适用于考虑应力约束、刚度最大化和体积分数最小化的结构优化，所述方法包括以下步骤：利用基于应力惩罚和参数化水平集方法的优化模型，求解体积约束下基于应力的柔度最小化结构优化，利用区间搜索方法调整体积约束，以缩小结构最优体积分数的搜索范围，获得最优结构的体积分数上限值；利用局部搜索方法进一步调整体积约束，以获得最优结构的体积分数，并输出最优结构。本发明运用循环的方式进行求解，避免了直接将结构体积最小化作为优化目标或人为主观选取体积约束带来的弊端。优化后的结构具有高刚度、轻量化的优点，且其强度满足设计要求。

主权项

一种基于应力惩罚和自适应体积的结构拓扑优化设计方法，适用于考虑应力约束、刚度最大化和体积分数最小化的结构优化，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)利用基于应力惩罚和参数化水平集方法的优化模型，求解体积约束下基于应力的柔度最小化结构优化，获得体积约束下最优结构的材料分布和应力分布，再利用区间搜索方法调整体积约束，以缩小结构最优体积分数的搜索范围，从而获得最优结构的体积分数上限值，具体包括以下子步骤：(1.1)拓扑优化初始化：给定结构设计域、载荷和边界条件，设定许用应力、初始体积约束和初始结构，并对优化算法的参数进行初始化；(1.2)对结构进行有限元分析，以获得结构位移场，计算并记录当前结构的柔度值和最大应力值；(1.3)将柔度乘以应力惩罚函数作为目标函数，使其最小，计算目标函数及体积约束对设计变量的灵敏度；(1.4)通过获得的灵敏度构建优化准则，利用优化准则更新设计变量及水平集方程；(1.5)判断是否满足判别准则A，若满足判别准则A，记录当前结构及其性能参数，并转至步骤(1.8)，否则转至下一步骤，其中，判别准则A为体积约束下基于应力的柔度最小化结构优化收敛条件，所记录的当前结构及其性能参数是体积分数为当前体积分数的搜索区间上限值时所获得的结构及性能参数；(1.6)判断是否满足判别准则B，若满足判别准则B，转至下一步骤，否则返回步骤(1.2)，其中，判别准则B为自适应应力惩罚因子调整策略执行条件；(1.7)利用自适应调整策略调整应力惩罚因子，并返回步骤(1.2)；(1.8)判断是否满足判别准则C，若不满足判别准则C，转至下一步骤，否则进入步骤(2)，其中，判别准则C为区间搜索方法执行条件；(1.9)利用区间搜索方法调整体积约束，确定结构最优体积分数的搜索区间，并返回步骤(1.2)；(2)利用基于应力惩罚和参数化水平集方法的优化模型，求解体积约束下基于应力的柔度最小化结构优化，获得体积约束下最优结构的材料分布和应力分布，再利用局部搜索方法调整体积约束，以获得最优结构的体积分数，并输出最优结构。