一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法技術

本發明專利技術提供一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法，包括如下內容：步驟100、對待優化加筋板進行有限元分析，獲得待優化加筋板的總應變能并以此為等效性能指標；步驟200、利用尺寸優化方法將待優化加筋板與扁鋼進行等效轉換，以待優化加筋板的總應變能為性能約束指標，以扁鋼的厚度為任意值進行有限元分析，獲得扁鋼等效厚度；步驟300、在待優化加筋板上，以扁鋼等效厚度按照緊密排列準則排列，拓撲分析至收斂得到扁鋼最優布局，即待優化加筋板最優布局。本發明專利技術提出以扁鋼替換任意類型加強筋進行拓撲優化以實現更大數量的加強筋橫縱向排列組合，尋找加強筋最優布局分布，解決了加筋板優化中加強筋布局優化不足的問題。問題。問題。

【技術實現步驟摘要】
一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法


[0001]本專利技術涉及結構拓撲優化領域，尤其涉及一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法。

技術介紹

[0002]加筋板結構因重量輕、體積小、承載能力強等特點，被廣泛應用于船舶、海洋平臺、航空航天等領域。加筋板結構由面板和加強筋組成，傳統布局下的加筋板的加強筋橫縱向交叉排列組成，由工程人員根據船級社規范及工作經驗設計而成，需不斷改變加強筋類型、尺寸、布置間距以滿足安全和性能要求，設計周期長且所設計加筋板性能并非最優。
[0003]近些年來，結構拓撲優化技術得到飛速發展，該技術旨在滿足約束函數和目標函數條件下實現設計域中材料的最優分布以達到結構的最優性能。故應用拓撲優化技術可快速得到加筋板最優布局分布，兼顧結構最佳性能與最短設計周期。
[0004]現階段，加筋板拓撲優化大部分集中于概念設計研究，即在一定的邊界條件及載荷條件下，優化加強筋材料分布以獲得創新性設計。而將拓撲優化方法應用至加強筋布局優化的研究相對較少。

技術實現思路

[0005]本專利技術提供一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法，提出以扁鋼替換任意類型加強筋進行拓撲優化以實現更大數量的加強筋橫縱向排列組合，尋找加強筋最優布局分布，以解決加筋板優化中加強筋布局優化不足的問題。
[0006]一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法，包括如下內容：
[0007]步驟100、對待優化加筋板進行有限元分析，獲得待優化加筋板的總應變能并以此為等效性能指標；<br/>[0008]步驟200、利用尺寸優化方法將待優化加筋板與扁鋼進行等效轉換，以步驟100中待優化加筋板的總應變能為性能約束指標，以扁鋼的厚度為任意值進行有限元分析，獲得扁鋼等效厚度；
[0009]步驟300、在待優化加筋板上，以步驟200中的扁鋼等效厚度按照緊密排列準則排列，拓撲分析至收斂得到扁鋼最優布局，即待優化加筋板最優布局。
[0010]進一步地，步驟200中所述等效轉換的內容為：
[0011]加筋板包含面板域及加強筋域，待優化加筋板的面板不變，將待優化加筋板的加強筋等效轉換為扁鋼；
[0012]其中，扁鋼的高度與待優化加筋板的加強筋高度保持一致，布局排列與待優化加筋板保持一致，扁鋼的厚度為任意值。
[0013]進一步地，步驟200中，以扁鋼的厚度為任意值結合步驟100中的有限元分析，得到扁鋼的厚度為任意值時的加筋板總應變能，與步驟100的等效性能指標對比判斷，得到扁鋼等效厚度。
[0014]進一步地，所述尺寸優化的內容為：
[0015]201)將待優化加筋板與扁鋼進行等效轉換，扁鋼高度與待優化加筋板的加強筋高度保持一致，扁鋼厚度取任意值；
[0016]202)在步驟201已經等效轉換的基礎上，創建材料、屬性并分配至相應部件；
[0017]203)建立FE模型，設置邊界及載荷條件；
[0018]204)定義尺寸優化，包括創建設計變量；定義目標函數、約束函數；設計變量初始化；
[0019]205)執行有限元分析，得到加筋板應變能；
[0020]206)判斷約束函數是否滿足性能約束，若滿足則獲得扁鋼等效厚度，若不滿足則執行步驟207；
[0021]207)使用直接法對目標函數進行敏感性分析，得到靈敏度信息；
[0022]208)利用靈敏度信息對約束函數進行展開得到顯示近似模型；
[0023]209)采用SQP法對顯示近似模型求解尋優；
[0024]210)更新設計變量，即更新扁鋼厚度，執行步驟205。
[0025]進一步地，步驟300中，以步驟200得到的扁鋼等效厚度無縫排列得到待優化加筋板的變形，拓撲分析得到本次待優化加筋板的變形的體積，至與上次待優化加筋板的變形的體積的容差，在設定范圍內，則本次待優化加筋板的變形的體積對應的扁鋼最優布局，為待優化加筋板最優布局。
[0026]進一步地，所述步驟300的具體內容為：
[0027]301)在待優化加筋板的面板域上，以步驟200得到的扁鋼等效厚度無縫排列；
[0028]302)創建材料、屬性并分配至相應部件；
[0029]303)建立FE模型；設置邊界及載荷條件；
[0030]304)定義拓撲優化，包括創建設計變量、響應函數；定義目標函數、約束函數；設計變量初始化；
[0031]305)執行拓撲分析；
[0032]306)判斷拓撲結果是否收斂，若收斂則實現扁鋼最優布局，即為待優化加筋板的加強筋最優布局，若未收斂則執行步驟307；
[0033]307)使用伴隨變量法對目標函數進行敏感性分析，得到靈敏度信息；
[0034]308)利用靈敏度信息對約束函數進行展開得到顯示近似模型；
[0035]309)采用DUAL法對顯示近似模型求解尋；
[0036]310)根據步驟309的尋優結果，更新設計變量，繼續執行步驟305。
[0037]本專利技術和現有技術相比具有如下有益效果：
[0038]本專利技術提供了一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法，提出利用尺寸優化方法實現不同類型加強筋與扁鋼的性能等效轉換，提出以扁鋼替換任意類型加強筋進行拓撲優化以實現更大數量的加強筋橫縱向排列組合，并基于拓撲優化技術尋找等效扁鋼橫縱向最優布局，即為原加強筋最優布局分布。本專利技術中同時提出了考慮密度約束策略，將連續型拓撲優化問題轉換至離散型拓撲優化問題，以實現扁鋼加強筋“有”與“無”，由此形成扁鋼加強筋橫縱向布局分布；加筋板拓撲布局即為工程實際可用結構；借助商業軟件Hyperworks實現，兼具穩健性和高效性，易于實施，適應性強。
附圖說明
[0039]為了更清楚地說明本專利技術的實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是示例性的，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖引申獲得其它的實施附圖。
[0040]圖1為本專利技術提供的一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法的流程示意圖；
[0041]圖2為驗證本專利技術提出的考慮密度約束的拓撲優化方法正確性的加筋板A幾何模型；
[0042]圖3為圖2中的加筋板A基于考慮密度約束的拓撲優化方法的拓撲密度圖；
[0043]圖4為圖2中的加筋板A的36種布局的對應應變能圖；
[0044]圖5為大跨度加筋板B幾何模型；
[0045]圖6為圖5中的大跨度加筋板B的有限元分析應變能圖；
[0046]圖7為圖5中的大跨度加筋板B基于尺寸優化的應變能圖；
[0047]圖8為圖5中的大跨度加筋板B的T型梁結構等效轉換圖；
[0048]圖9為圖8中的扁鋼緊密排列的大跨度加筋板C幾何模型；
[0049]圖10為圖9中的大跨度加筋板C的拓撲優化結果圖。...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法，其特征在于，包括如下內容：步驟100、對待優化加筋板進行有限元分析，獲得待優化加筋板的總應變能并以此為等效性能指標；步驟200、利用尺寸優化方法將待優化加筋板與扁鋼進行等效轉換，以步驟100中待優化加筋板的總應變能為性能約束指標，以扁鋼的厚度為任意值進行有限元分析，獲得扁鋼等效厚度；步驟300、在待優化加筋板上，以步驟200中的扁鋼等效厚度按照緊密排列準則排列，拓撲分析至收斂得到扁鋼最優布局，即待優化加筋板最優布局。2.根據權利要求1所述的一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法，其特征在于，步驟200中所述等效轉換的內容為：加筋板包含面板域及加強筋域，待優化加筋板的面板不變，將待優化加筋板的加強筋等效轉換為扁鋼；其中，扁鋼的高度與待優化加筋板的加強筋高度保持一致，布局排列與待優化加筋板保持一致，扁鋼的厚度為任意值。3.根據權利要求1所述的一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法，其特征在于，步驟200中，以扁鋼的厚度為任意值結合步驟100中的有限元分析，得到扁鋼的厚度為任意值時的加筋板總應變能，與步驟100的等效性能指標對比判斷，得到扁鋼等效厚度。4.根據權利要求2或3所述的一種基于緊密排列準則的加筋板結構拓撲優化方法，其特征在于，所述尺寸優化的內容為：201)將待優化加筋板與扁鋼進行等效轉換，扁鋼高度與待優化加筋板的加強筋高度保持一致，扁鋼厚度取任意值；202)在步驟201已經等效轉換的基礎上，創建材料、屬性并分配至相應部件；203)建立FE模型，設置邊界及載荷條件；204)定義尺寸優化，包括創建設計變量；定義目標函數、約束函數；設計變量初始化；...

【專利技術屬性】
技術研發人員：余楊，崔宇朋，成司元，韋明秀，孫若飛，余建星，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：