[发明专利]带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种带孔薄壁曲面结构的孔洞优化设计方法，特别是涉及一种带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法。

背景技术

航空航天飞行器动力装备设计中，存在大量维修孔、工艺孔、冷却孔等薄壁曲面结构上的孔洞优化设计的工程应用实例。孔洞的存在，不可避免会导致孔周应力集中等问题，直接影响到结构的使用寿命。另外，孔洞大小的选取与结构的重量直接相关，对于宇航结构减重尤为重要。

孔洞优化设计过程中一般是首先采用拟合曲线、解析方程等方法建立孔洞边界曲线的几何参数方程，其次选用参数方程的控制点坐标作为设计变量，通过修改这些控制点的位置，优化孔洞边界的拟合曲线。

文献1“Shape optimal design using B-splines.Braibant V and Fleury，C.Computermethods in applied mechanics and engineering，1984，44：247-267.”公开了一种采用B样条曲线拟合孔周曲线，进行孔形优化设计的方法。

文献2“The coupling of geometric divs and finite elements using NURBS-Astudy in shape optimization.Schramm U and Pilkey WD.Finite elements in analysis anddesign，1993，15：11-34.”公开了一种采用NURBS曲线拟合孔周曲线，进行孔形优化设计的方法。对于平面上的孔洞设计问题，这种方法可以实现。但对于空间问题，即使控制点的修改始终保证位于给定的空间曲面上，但对应的拟合曲线仍无法保证也位于给定的曲面上。

文献3“On the optimum shape of fillets in plates subjected to multiple in-plane loadingcases.Kristensen ES and Madsen NF.International joumal for numerical methods inengineering，1976，10：1007-1019.”公开了一种采用不同孔周曲线解析方程组合参数作为设计变量，进行孔形优化设计的方法。对于平面上的孔洞设计问题，这种方法较简便。但对于空间问题，孔周曲线变化十分复杂，一般较难直接采用解析表达式表达。

发明内容

为了克服现有的带孔薄壁曲面结构的孔洞优化设计方法难以直接采用解析表达式表达的不足，本发明提供一种带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法。该方法利用无孔薄壁曲面结构与相交柱面之间的布尔差运算实现草图平面上的孔洞设计变量对带孔薄壁曲面结构上孔洞形状与位置的控制，这时带孔薄壁曲面结构上的孔周边界曲线实际上通过给定曲面与相交柱面之间的布尔差运算实现了隐式表达，从而可以自动满足优化迭代过程中孔周边界曲线始终位于给定的曲面结构上的设计要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法，其特点是包括以下步骤：

(a)在有限元分析软件的前处理器或CAD建模软件中，建立无孔薄壁曲面结构的几何模型，对于循环对称结构建立无孔单胞几何模型；

(b)根据设计要求确定每个孔洞在带孔薄壁曲面结构上的位置分布，每个孔洞需要设定独立的草图平面，通过设定原点位置和坐标轴方向建立各个孔洞对应的草图平面；

(c)根据设计要求，采用椭圆、样条、B样条或者NURBUS曲线的形式绘制带孔薄壁曲面结构上的孔洞对应的位于草图平面上的平面边界曲线，选用椭圆平面边界曲线的长短轴半径，样条、B样条或者NURBS平面边界曲线的控制顶点坐标作为孔形设计变量，同时优化孔洞位置时，选用平面边界曲线中心在草图平面上的坐标作为孔洞位置设计变量；

(d)采用垂直拉伸，即垂直于草图平面的方式拉伸，或沿与草图平面按照要求角度的方向拉伸，由带孔薄壁曲面结构上的孔洞在相应的草图平面上对应的平面边界曲线围成的区域生成与无孔薄壁曲面结构相交的柱体，多个孔洞时生成多个柱体，同时优化孔洞位置的情况下，选取柱体拉伸角度作为孔洞位置设计变量；