一种基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102760183A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102760183A(43)申请公布日2012.10.31(21)申请号201210182700.8(22)申请日2012.06.05(71)申请人湖南大学地址410082湖南省长沙市岳麓区麓山南路1号(72)发明人孙光永李光耀闫晓磊毛丽臣徐峰祥(74)专利代理机构北京天达知识产权代理事务所(普通合伙)11386代理人王庆海(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书权利要求书2页2页说明书说明书66页页附图附图55页(54)发明名称一种基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法(57)摘要本发明公开了一种基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，所述盘型飞轮为匀质材料，所述设计方法，包括以下步骤：对盘型飞轮初始设计域进行有限元网格划分，并给定结构的目标体积、体积进化率和滤波半径；对该飞轮结构进行有限元分析并计算各单元的应力敏度数；得到本次迭代的敏度数和下次迭代的结构目标体积；删添单元直至目标体积及收敛条件同时得到满足。通过本发明可以合理指导实际的飞轮优化设计，以保证一定强度的基础上减小飞轮的质量。CN1027683ACN102760183A权利要求书1/2页1.一种基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于，步骤为：（1）对飞轮初始设计域进行有限元网格划分，并给定结构的目标体积V*、体积进化率和滤波半径；（2）对飞轮结构进行有限元分析，计算各单元的应力敏度数以及本次迭代的敏度数；（3）确定下次迭代的结构目标体积；假设结构设计的目标体积为已给定结构的目标体积V*，则在拓扑优化过程中，单元的删添可按照结构剩余体积V是否满足目标体积V*进行控制；（4）重复步骤(2)~(3)，直至目标体积V*及收敛条件式同时得到满足。2.根据权利要求1所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于：所述步骤（1）中采用应力均方差作为双向渐进结构拓扑优化算法的性能判断指标，通过将实和空单元按敏度数大小统一排队的办法，实现了单元删添的同步进行。3.根据权利要求1或2所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于：所述步骤（2）中采用敏度滤波方法有效改善BESO算法的拓扑优化结果。4.根据权利要求3所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于：在所述步骤（2）中采用的敏度滤波方法包括如下步骤：首先，将第i个单元各节点处的敏度数求平均，以此平均值为该单元的敏度数：e式中，αi为第i个单元各节点处的平均敏度数，N为第i个单元的节点数；其次，以第i个单元的质心为圆心，以滤波半径rmin为半径作一个圆，设该圆形区域内包含有K个单元，则经加权滤波后，将第i个单元的敏度数表示为：式中w(rij)为权重因子。5.根据权利要求4所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于：对于四边形单元N＝4，对于六面体单元N＝8。6.根据权利要求4所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于：权重因子w(rij)按下式计算：w(rij)＝rmin-rij,j＝1,2,…,K式中rij为圆形区域内第j个单元的质心到单元i的质心的距离。7.根据权利要求4-6之一所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于：为了保证迭代过程具有更好的收敛性，再进行一次历史迭代求平均敏度数，即式中为第i个单元第k次迭代时的敏度数。2CN102760183A权利要求书2/2页8.根据权利要求1-7之一所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于：所述步骤（3）中，当剩余体积V大于目标体积V*时，BESO算法主要以删除单元为主，以减小V使其逐渐满足目标体积V*，但优化过程中，高敏度数的空单元依然能够被转换成实单元添加到结构中；当剩余体积V小于目标体积V*时，BESO算法主要以添加单元为主，以增大V使其逐渐满足目标体积V*，但是低敏度数的实单元的依然能够从结构中删除。9.根据权利要求8所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于：进化过程中，结构的体积表示为：Vk+1＝Vk(1±ER),(k＝1,2,3,…)式中，ER为体积进化率；k为迭代次数。10.根据权利要求9所述的基于双向渐进结构拓扑优化的盘型飞轮优化设计方法，其特征在于：一旦结构体积Vk达到了目标体积V*，结构的体积将被保持为V*不变；通过步骤（3）得到各单元的敏度数αi后，将所有实单元和空单元按照敏度数的大小从高到低或从低到高进行排队；假设删除阀值和添加阀值分别为则对于满足的实单元进行删除操作，即变为空单元，对于满足的空单元进行添加操作，即变为实