一种载荷传递结构拓扑优化设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113704911A(43)申请公布日2021.11.26(21)申请号202110985657.8(22)申请日2021.08.26(71)申请人西北工业大学地址710000陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人侯杰张亦飞朱继宏谷小军张卫红(74)专利代理机构西安毅联专利代理有限公司61225代理人韩金明(51)Int.Cl.G06F30/17(2020.01)G06F30/23(2020.01)G06F111/04(2020.01)G06F111/06(2020.01)G06F119/14(2020.01)权利要求书1页说明书5页附图2页(54)发明名称一种载荷传递结构拓扑优化设计方法(57)摘要本申请公开了一种载荷传递结构拓扑优化设计方法，涉及结构优化技术领域，解决了现有技术中依赖于杆单元数目的约束的技术问题。该载荷传递结构拓扑优化设计方法包括：定义设计区域和弹性区域；将目标函数设定为所述设计区域的柔顺度函数最小；将约束条件设定为：所述设计区域的材料用量小于第一预设值，以及所述弹性区域的柔顺度函数小于第二预设值：在优化过程中引入所述约束条件，迭代优化得到结果。本申请公开的载荷传递结构拓扑优化设计方法能够在结构的初始阶段保证结构刚度性能，同时考虑载荷传递均匀性，并提升了优化效率，也有利于拓扑优化约束的建模和模型的快速修改。CN113704911ACN113704911A权利要求书1/1页1.一种载荷传递结构拓扑优化设计方法，其特征在于，包括：定义设计区域(100)和弹性区域(300)；其中，所述弹性区域(300)连接于所述设计区域(100)的背离外力的一侧，且所述弹性区域(300)包括多个弹簧单元，所述设计区域(100)离散为多个第一有限元单元；将目标函数设定为所述设计区域(100)的柔顺度函数C(X)最小；其中，xi为所述第一有限元单元的伪密度；Ki为所述第一有限元单元的刚度矩阵，Ui为所述第一有限元单元的位移向量；并满足KU＝F，K为所述设计区域(100)的结构总刚度矩阵，U为所述设计区域(100)的整体位移向量，F为外力；将约束条件设定为：所述设计区域(100)的材料用量V(X)小于第一预设值，以及所述弹性区域(300)的柔顺度函数c小于第二预设值；其中，vi为所述第一有限元单元的体积，为所述第一预设值，为所述第二预设值，uj为所述弹簧单元的位移向量，kj为所述弹簧单元的刚度矩阵；在优化过程中引入所述约束条件，迭代优化得到结果。2.根据权利要求1所述的载荷传递结构拓扑优化设计方法，其特征在于，在实施所述在优化过程中引入所述约束条件，迭代优化得到结果前，还包括：计算所述设计区域(100)的材料用量的灵敏度和所述弹性区域(300)的柔顺度函数的灵敏度。3.根据权利要求2所述的载荷传递结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述弹性区域(300)的柔顺度函数的灵敏度由伴随法求得。4.根据权利要求1‑3任一项所述的载荷传递结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述定义设计区域(100)和弹性区域(300)时，还包括：在所述设计区域(100)与所述弹性区域(300)之间定义非设计区域(200)，并将所述非设计区域(200)离散为多个第二有限元单元。5.根据权利要求4所述的载荷传递结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述第一有限元单元的体积与所述第二有限元单元的体积相等。6.根据权利要求1所述的载荷传递结构拓扑优化设计方法，其特征在于，多个所述弹簧单元等间距排列设置。7.根据权利要求6所述的载荷传递结构拓扑优化设计方法，其特征在于，每个所述弹簧单元均沿外力方向设置，且每个所述弹簧单元的远离所述设计区域(100)的端部固定。2CN113704911A说明书1/5页一种载荷传递结构拓扑优化设计方法技术领域[0001]本申请涉及结构优化技术领域，尤其涉及一种载荷传递结构拓扑优化设计方法。背景技术[0002]拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法。[0003]在航空航天、汽车制造等领域，为了满足结构轻量化、刚度、强度、稳定性等设计要求需求，广泛地应用拓扑优化设计技术。受动力系统布局和结构形式特点的影响，航空航天飞行器等结构中存在大量集中力传递结构。当传递载荷不均匀时会导致局部应力过大，或者舱体薄壳结构的屈曲失稳。在飞行器拓扑优化设计中，合理匹配结构形式和传力路径，对实现减轻结构重量、提高系统的可靠性具有重要意义。[0004]目前，现有的拓扑优化设计方法在需要考察传力均匀性的位置处引入辅助杆单元，将传力载荷约束转化为杆单元节点位移约束，实现载荷可控传递结构拓扑优化方法。但该方法载荷均匀性约束数目依赖于杆单元数目的