【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置及方法。
技術(shù)介紹
1、自然界中大量性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)，如動物的骨骼、植物的根莖，在不同的尺度上往往體現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)特征，因此在不同長度尺度上對結(jié)構(gòu)構(gòu)型進行設(shè)計來獲得性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)被認為是下一代輕量化結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向之一。分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計方法常?；谕負鋬?yōu)化理論，以所需的材料體積、材料質(zhì)量等作為輸入量，借助于優(yōu)化算法、有限元分析等數(shù)值方法，以宏觀構(gòu)型、微結(jié)構(gòu)構(gòu)型及分布作為優(yōu)化對象，迭代求解設(shè)計得到分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)。
2、現(xiàn)有的分區(qū)周期性層級設(shè)計模型集中在體積約束下的最大剛度設(shè)計，這種方法所得結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力可能超出材料強度，影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性?，F(xiàn)有的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計方法往往先提前通過聚類分析等方法指定微結(jié)構(gòu)的初始分布，然后再執(zhí)行宏微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)型的協(xié)同設(shè)計，在優(yōu)化設(shè)計過程中，隨著宏觀構(gòu)型的變化，微結(jié)構(gòu)的最優(yōu)分布必然隨之變化，事先指定微結(jié)構(gòu)分布的方式限制了設(shè)計空間。
3、總之，現(xiàn)有的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計方法無法實現(xiàn)強度約束下分區(qū)多層級宏微觀結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu)分布的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置及方法。
2、本專利技術(shù)提供了一種考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，用于根據(jù)指定所需結(jié)構(gòu)的邊界和承載力、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變
3、
4、式中表示第i個宏觀單元的第ξ種材料的設(shè)計變量，表示第i個微單元的第ξ種材料的設(shè)計變量，nm和nm分別表示宏觀結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的數(shù)目，nc表示微結(jié)構(gòu)的種類數(shù)，σa是材料的強度，km表示宏觀結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；表示第ξ種微結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，χξ表示第ξ個微結(jié)構(gòu)的周期位移矩陣，um表示宏觀結(jié)構(gòu)的位移向量，表示第ξ個微結(jié)構(gòu)的測試載荷矩陣，fm表示宏觀結(jié)構(gòu)的載荷向量，c為隨迭代更新的修正因子，表示多層級結(jié)構(gòu)中全部微結(jié)構(gòu)的p范數(shù)應(yīng)力，是目標函數(shù)，g1表示宏觀構(gòu)型的體積約束函數(shù)，g1(ρ)≤0表示宏觀構(gòu)型的體積約束，g2表示多層級結(jié)構(gòu)的應(yīng)力約束函數(shù)，表示多層級結(jié)構(gòu)的應(yīng)力約束，g3表示微結(jié)構(gòu)構(gòu)型的體積約束函數(shù)，g3(γ)≤0表示微結(jié)構(gòu)構(gòu)型的體積約束，ρmin表示宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量最小值，γmin表示微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量最小值，宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量包括所有宏觀單元的所有材料的設(shè)計變量，微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量包括所有微單元的設(shè)計變量。
5、本專利技術(shù)提供的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，還可以具有這樣的特征：其中，在每次迭代中，協(xié)同優(yōu)化列式通過靈敏度進行設(shè)計變量的更新，目標函數(shù)對宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的靈敏度的表達式為：目標函數(shù)對微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的靈敏度的表達式為：應(yīng)力約束函數(shù)對宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的靈敏度的表達式為：應(yīng)力約束函數(shù)對微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的靈敏度的表達式為：式中ω＝1,2,…,nr，t表示轉(zhuǎn)置，λ表示宏觀位移向量的伴隨向量，nd表示伴隨矩陣的列數(shù)，pn指的是pn次冪。
6、本專利技術(shù)提供的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，還可以具有這樣的特征：其中，多層級結(jié)構(gòu)中全部微結(jié)構(gòu)的p范數(shù)應(yīng)力的表達式為：式中pn指的是pn次冪，vm為von?mises應(yīng)力，表示第i個宏觀單元處第j個微單元的von?mises應(yīng)力。
7、本專利技術(shù)提供的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，還可以具有這樣的特征：其中，第i個宏觀單元處第j個微單元的von?mises應(yīng)力表達式為：
8、式中e0是材料的彈性模量，q為罰參數(shù)，是第i個宏觀單元處第ξ種微結(jié)構(gòu)的第j個微單元的von?mises應(yīng)力。
9、本專利技術(shù)提供的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，還可以具有這樣的特征：第i個宏觀單元處第ξ種微結(jié)構(gòu)的第j個微單元的von?mises應(yīng)力的表達式為：式中t表示轉(zhuǎn)置，v是von?mises矩陣，為第i個宏觀單元處第ξ種微結(jié)構(gòu)的第j個微單元的應(yīng)力矢量。
10、本專利技術(shù)提供的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，還可以具有這樣的特征：其中，第i個宏觀單元處第ξ種微結(jié)構(gòu)的第j個微單元的應(yīng)力矢量的表達式為：式中是宏觀單元的等效均勻應(yīng)變，d0是材料的彈i性矩陣，是單位矩陣，是第j個微單元的幾何矩陣，是第ξ種微結(jié)構(gòu)的周期位移矩陣。
11、本專利技術(shù)提供的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，還可以具有這樣的特征：其中，修正因子的表達式為：式中ck表示第k次迭代的修正因子，δ表示修正因子的更新周期。
12、本專利技術(shù)還提供一種考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計方法，用于根據(jù)指定所需結(jié)構(gòu)的邊界和承載力、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的初始值、微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的初始值、宏觀結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量最小值、宏觀結(jié)構(gòu)的尺寸、宏觀單元的個數(shù)、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的數(shù)目、微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的數(shù)目、微結(jié)構(gòu)的種類數(shù)、每種微結(jié)構(gòu)體積分數(shù)、每種微結(jié)構(gòu)占據(jù)宏觀設(shè)計域的體積分數(shù)、材料的彈性模量和材料的強度，得到指定所需結(jié)構(gòu)的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其特征在于：步驟s1，根據(jù)指定所需結(jié)構(gòu)的邊界條件和承載力、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量、微結(jié)構(gòu)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，用于根據(jù)指定所需結(jié)構(gòu)的邊界條件和承載力、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的初始值、微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的初始值、宏觀結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量最小值、宏觀結(jié)構(gòu)的尺寸、宏觀單元的個數(shù)、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的數(shù)目、微結(jié)構(gòu)的尺寸、微單元的個數(shù)、微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的數(shù)目、微結(jié)構(gòu)的種類數(shù)、每種微結(jié)構(gòu)體積分數(shù)、每種微結(jié)構(gòu)和實體材料占據(jù)宏觀設(shè)計域的體積分數(shù)、材料的彈性模量和材料的強度，得到指定所需結(jié)構(gòu)的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，其特征在于：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，其特征在于：
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮材料強度的分區(qū)周期性
8.一種考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計方法，用于根據(jù)指定所需結(jié)構(gòu)的邊界條件和承載力、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量初始值、微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量初始值、宏觀結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量最小值、宏觀結(jié)構(gòu)的尺寸、宏觀單元的個數(shù)、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的數(shù)目、微結(jié)構(gòu)的尺寸、微單元的個數(shù)、微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的數(shù)目、微結(jié)構(gòu)的種類數(shù)、每種微結(jié)構(gòu)體積分數(shù)、每種微結(jié)構(gòu)和實體材料占據(jù)宏觀設(shè)計域的體積分數(shù)、材料的彈性模量和材料的強度，得到指定所需結(jié)構(gòu)的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其特征在于：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，用于根據(jù)指定所需結(jié)構(gòu)的邊界條件和承載力、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的初始值、微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的初始值、宏觀結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量最小值、宏觀結(jié)構(gòu)的尺寸、宏觀單元的個數(shù)、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的數(shù)目、微結(jié)構(gòu)的尺寸、微單元的個數(shù)、微結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的數(shù)目、微結(jié)構(gòu)的種類數(shù)、每種微結(jié)構(gòu)體積分數(shù)、每種微結(jié)構(gòu)和實體材料占據(jù)宏觀設(shè)計域的體積分數(shù)、材料的彈性模量和材料的強度，得到指定所需結(jié)構(gòu)的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的考慮材料強度的分區(qū)周期性層級結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計裝置，其特征在于：<...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：付昆昆，魏廣凱，崔曉雨，朱慧鑫，
申請(專利權(quán))人：同濟大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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