[发明专利]箱形支撑结构内部加筋板分布优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机床的床身及立柱、起重机的大梁与支腿等箱形支撑结构的内部加筋板分布优化设计方法。

背景技术

针对箱形支撑结构内部加筋板的优化设计问题，目前大多数研究都局限于加筋板间隔与截面的尺寸优化设计，而由于加筋板的形式及布局优化设计自由度大，实现困难，现有的设计方法一般根据材料力学理论，结合设计者的经验提出若干种加筋板的分布形式后，在对这些加筋结构进行力学分析比较的基础上，进行选型和改进设计。显然这样的设计方法无法得到真正最优的结构，其最终设计结果很大程度上决定于设计者的经验，而且其设计过程无法实现自动化。

随着近年来结构拓扑优化设计理论的发展，加强筋的布局优化问题，尤其是薄壁板壳结构加强筋的分布优化设计得到了深入的研究。对于箱形支撑结构来说，将箱形结构内部填充材料，然后对其内部的实体采用结构拓扑优化设计方法进行设计，理论上可实现内部加筋板分布优化。但对于工程中常见的大体积箱形结构，对其内部填充的实体进行拓扑优化设计计算量相当大，且其设计结果形态复杂，实际应用中还需要进行进一步的后处理，因此虽然从理论上说该方法行之有效，但实际应用上仍存在问题。

发明内容

本发明是要提供一种箱形支撑结构内部加筋板分布优化设计方法，采用一种称为纤维模型的简化模型，将复杂的三维结构拓扑优化设计问题转化为简单的二维结构设计问题，并采用密度法对结构进行优化设计，自动快速设计箱形支撑结构内部的加筋板分布，使结构达到最好的技术经济综合性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种箱形支撑结构内部加筋板分布优化设计方法，包括以下具体步骤：

1)简化为中空结构的初始设计模型

将箱形支撑结构简化为中空的箱体，形成初始设计模型；

2)有限元网格划分

对初始设计模型进行有限元网格划分，所有外壁均划分为壳单元，且箱体的约束面和设计面的网格需一一对应；

3)形成纤维模型

在约束面和承载面对应的节点上建立梁单元，形成纤维模型；

4)对设计模型施加边界条件

对结构施加载荷和约束，进行静力分析；

5)承载面材料分布优化设计

将承载设置为设计区域，采用式(1)的优化模型进行承载面材料分布的优化设计，

min vol(ρ)＝vol(ρ₁，ρ₂，...，ρ_n)

subject to：

       δ_max≤[δ]                    (1)

       σ_max≤[σ]

       0≤ρ_i≤1    i＝1，2，...n

式中，vol为结构的总体积，ρ_i为单元i密度，n为单元个数，δ_max和σ_max分别为结构的最大位移和最大应力，[δ]和[σ]分别为结构的许用位移和许用应力；

6)确定应保留的梁单元

根据第5步骤的设计结果得到承载面的材料最优布置，确定应保留的梁单元，即当某一梁单元的节点在承载面的高密度区时，保留该梁单元；反之，若某一梁单元的节点在承载面的低密度区时，去除该梁单元；

7)形成加筋板

连接各保留的梁单元形成加筋板。

本发明提出一种称为纤维模型的简化模型，将复杂的三维结构拓扑优化设计问题转化为简单的二维结构优化设计问题，利用密度法，自动快速设计箱形支撑结构内部的加筋板分布，使结构达到最好的技术经济综合性能。

附图说明

图1是对角筋板的纤维模型图；

图2是具有内部平行梁单元的箱形结构初始设计模型图；

图3是本发明的流程图；

图4是受扭床身加筋板设计力学模型及设计结果图；

其中，(a)床身承受扭转载荷图，(b)床身力学模型图，(c)有限元设计模型图，(d)床身加筋板最优布置形态图；

图5是床身模型图；其中，(a)优化模型图，(b)横隔板模型图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

一.设计模型的简化