[发明专利]一种基于极限各向异性点阵材料的结构拓扑优化方法

说明书

本发明公开了一种基于极限各向异性点阵材料的结构拓扑优化方法，解决了现有技术中仅通过改变相对密度或几何参数无法保证点阵材料物理性能的问题，具有保证结构性能的有益效果，具体方案如下：一种基于极限各向异性点阵材料的结构拓扑优化方法，包括基于拓扑优化方法，优化得到若干组具有不同极限属性的包含一系列相对密度的点阵材料基本构型，对各点阵材料基本构型进行组合得到新的点阵材料；建立插值模型；建立多尺度拓扑优化数学模型，确定优化问题的目标函数和约束函数；基于建立的插值模型，获取宏观结构中点阵材料的物理属性，并对宏观结构进行有限元分析，计算得目标函数值；基于目标函数和约束函数，计算设计变量的灵敏度信息。

技术领域

本发明涉及结构优化相关技术领域，尤其是一种基于极限各向异性点阵材料的结构拓扑优化方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

点阵材料作为一种含有多孔微结构的新型先进材料，以其优异的性能，如高比刚度、高能量吸收率、负泊松比、负热膨胀系数等，越来越多地应用于航空航天和汽车工业等领域。得益于增材制造技术的高速发展，具有复杂微观几何形貌的点阵材料从概念设计转化为实际产品。这种变化也伴随着设计方法上的革新。拓扑优化方法能够在给定的设计域内搜索最佳材料分布来使目标性能最优。因此利用拓扑优化方法开发具有轻量化特性的高性能结构具有广泛的前景。但由于庞大的计算和后处理成本，以及相邻非均质点阵材料之间的连接性问题，点阵材料的设计工作依旧具有挑战性。

近年来，基于参数化点阵材料的多尺度结构优化设计得到一些进展。现有的大部分点阵材料多尺度拓扑优化研究集中在改变经典点阵材料结构(如立方体格、X形格、螺旋二十四面体等)的相对密度或几何参数上。然而，发明人发现，仅通过改变点阵材料相对密度或几何参数不足以提供较优的物理性能。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于极限各向异性点阵材料的结构拓扑优化方法，能够使得点阵材料的物理性能较好，结构性能更优。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种基于极限各向异性点阵材料的结构拓扑优化方法，包括如下内容：

基于拓扑优化方法，优化得到若干组具有不同极限属性的包含一系列相对密度的点阵材料基本构型，各组选取一个基本构型进行组合得到新的点阵材料；

以组成新的点阵材料的各基本构型的相对密度为设计变量，建立映射设计变量与新的点阵材料物理属性之间的插值模型；

建立多尺度拓扑优化数学模型，确定优化问题的目标函数和约束函数；

基于建立的插值模型，获取宏观结构中点阵材料的物理属性，并对宏观结构进行有限元分析，计算得目标函数值；并基于目标函数和约束函数，获取设计变量的灵敏度信息；

基于灵敏度信息，在满足约束函数的条件下更新设计变量,并进一步判断更新后的设计变量是否收敛,若是,则输出宏观结构中点阵材料的最优设计,若否,则返回插值模型进行重新迭代。

上述方法中，基于拓扑优化方法，构建具有极限属性的点阵材料基本构型，来组合形成新的点阵材料，扩展了点阵材料的有效属性空间，实现轻量化需求下结构最优化性能的进一步提升；插值模型的建立，实现通过参数化表征微观结构等效材料属性，减少了多尺度拓扑优化过程的计算量；基于多尺度拓扑优化方法，通过设计变量的更新来输出最优设计，可充分保证点阵材料填充结构的优异性能。

如上所述的一种基于极限各向异性点阵材料的结构拓扑优化方法，所述新的点阵材料的物理属性为组合后的点阵材料的相对密度和弹性矩阵；以宏观尺度上结构柔度最小化作为目标函数，通过控制点阵材料各基本构型的相对密度，间接控制点阵材料的物理属性，极大地提高了多尺度并行拓扑优化效率，节省了大量的计算时间。