[发明专利]一种面向大规模结构的拓扑优化设计方法

说明书

本发明公开了一种面向大规模结构的拓扑优化设计方法，包括：根据结构设计所要达到的目标性能以及结构边界条件，建立结构拓扑优化模型；选择拓扑优化方法，确定目标函数敏度计算，并在MATLAB算法基础上选择有限元分析软件；选择优化算法，设置收敛条件；在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第一次数据传递，在MATLAB算法程序中获得单元刚度矩阵；进行第二次数据传递，在MATLAB算法程序中获得有限元分析后的结构位移场和温度场；在迭代中计算目标函数值，更新设计变量，判断是否满足收敛条件。本发明方法实现了快速、准确的优化设计，提高了设计效率。

技术领域

本发明属于结构设计领域，具体涉及面向大规模的基于拓扑优化的结构设计方法，可用于指导大规模结构的高精度优化设计。

背景技术

拓扑优化方法融合了数学、计算机力学、计算机科学等工程学科，使用拓扑优化方法可以打破思维的局限性，为新型结构的设计提供了新的思路，是现代设计方法的重要组成部分。近年来，随着技术发展，拓扑优化设计的实现有两种方法，一种是通过程序编程来实现，另一种是使用专业软件中的优化功能实现。但两种方式都存在一定的局限性。O.Sigmund基于变密度法提出经典的99行拓扑优化程序，使设计域的拓扑优化设计可以通过运行MATLAB程序实现。在该程序的基础上加以拓展，可实现多学科拓扑优化设计。但在运行中发现，随着设计域网格数增多，设计域规模增大，程序运行速度逐渐变缓，实现优化设计所需时间变长。通过专业软件如ANSYS、COMSOL等可进行拓扑优化设计，专业软件对单一学科的分析具有结果精确的优势，但无法对多学科进行综合分析，或多学科分析受到限制。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种面向大规模结构的高精度拓扑优化设计方法，该方法将拓扑优化算法程序与专业软件的优势结合，对指导大规模结构的精确设计有重要意义。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种面向大规模结构的拓扑优化设计方法，包括如下步骤：

(1)根据结构设计所要达到的目标性能以及结构边界条件，建立结构拓扑优化模型；

(2)根据拓扑优化数学模型，选择拓扑优化方法，确定目标函数敏度计算，并在MATLAB算法基础上选择有限元分析软件，以实现优化算法中有限元分析步骤；

(3)根据拓扑优化数学模型的具体约束条件，选择适合的优化算法，设置收敛条件；

(4)根据面向精确分析的拓扑优化方法，在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第一次数据传递，在MATLAB算法程序中获得单元刚度矩阵；

(5)在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第二次数据传递，在MATLAB算法程序中获得有限元分析后的结构位移场和温度场；

(6)根据刚度矩阵、结构位移场和温度场数据，在本次迭代中计算目标函数值，更新设计变量，判断是否满足收敛条件，若不满足，重复(5)-(6)；若满足，则输出拓扑优化设计结果。

步骤(2)中，拓扑优化方法选择变密度法，目标函数敏度计算选择伴随法，有限元分析软件选择ANSYS。

当设计变量数较少，约束和目标函数较多时，敏度计算选择直接微分法；当设计变量数较多，约束和目标函数较少时，敏度计算选择伴随法。

步骤(3)中，优化算法选择移动渐进线方法MMA，设置收敛条件为优化前后设计变量差的绝对值不小于阈值ε。

步骤(4)中，在MATLAB软件和ANSYS软件之间进行第一次数据传递，步骤为：

(4a)MATLAB中基于APDL语言命令语句，调用ANSYS软件后台运行，对结构单元进行分析，得到单元刚度矩阵以Harwell-Boeing文件格式输出；