[发明专利]一种薄壁加筋结构优化方法、装置、电子设备和存储介质

说明书

本发明实施例公开了一种薄壁加筋结构优化方法、装置、计算机和存储介质。通过将薄壁结构划分为一个或两个以上的真实面片，并建立与真实面片一一对应的参数域和参考面片，参考面片的连接关系与真实面片一致，便于构建模型；以建立在参数域上的筋条构件的端部坐标和厚度作为设计变量，使用基于形状灵敏度的梯度类优化求解器，求解具有体积约束以及其他约束下的优化列式，得到筋条构件的优化分布和一种薄壁加筋结构的优化结构，优化过程不依赖于背景网格，设计变量数大大降低，计算效率提高；且该优化结构包含筋条构件的明确的尺寸、形状参数信息，可以直接导入到CAD/CAE系统，无需繁杂的人工识别、后处理过程。

技术领域

本发明涉及力学结构技术领域，尤其涉及一种薄壁加筋结构优化方法、装置、计算机和存储介质。

背景技术

薄壁结构，如平板、圆柱壳、球壳、不规则曲面壳等，被广泛用于土木工程、汽车制造和航空航天工业等领域的重要结构部件中。为了增强薄壁结构的承载力，需在薄壁结构上布置加筋结构，如何合理的规划加筋的布局是薄壁结构优化设计中一个十分重要的问题。

工程以及学术界中通常使用拓扑优化方法来确定加筋的最佳位置、方向以及形状。现有技术中主要是采用基于单元或节点的隐式拓扑优化方法来对加筋进行优化。首先，将加筋所处的区域(加筋层)当成优化的设计域，将结构离散成有限元网格，以设计域内的单元密度为优化设计变量，采用SIMP法(变密度法)对加筋进行拓扑优化设计，得到加筋的最优材料分布；接着对于初步优化的结果进行人工识别，即根据优化所得的实体材料分布结果(通常不太清晰，存在模糊边界、弱单元)，人工提取出主要的加筋位置、几何特征参数，然后再根据识别出的加筋的尺寸、特征参数重新建立加筋模型，最后进行新一轮的形状和尺寸的参数优化，以得到最优的形状、尺寸优化结果。通过上述的主要两个优化过程，可以得到最终的薄壁加筋结构的优化设计结果。

但使用上述隐式拓扑优化方法，对筋条构件的几何描述依赖于隐式的结构的像素单元或节点，没有显式的几何信息，无法对工程实际中常见的薄壁加筋结构快速建模和优化求解，难以实现对筋条构件尺寸的有效控制或约束，导致设计变量多、计算量大的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提出了一种薄壁加筋结构优化方法、装置、计算机和存储介质。

一种薄壁加筋结构的拓扑优化方法，所述薄壁加筋结构包括薄壁结构和设置在所述薄壁结构上的加强筋，其特征在于，所述拓扑优化方法包括：

划分所述薄壁结构为一个或两个以上的真实面片；每一所述真实面片通过第一单满映射形成对应的参数域；在每一所述参数域上通过几何参数设置筋条构件；通过所述第一单满映射的逆映射将所述筋条构件映射为设于所述薄壁结构上的所述加强筋，得到所述薄壁加筋结构；

构建参考结构，所述参考结构由与各所述真实面片一一对应的参考面片组成，各所述参考面片之间的连接关系与各所述真实面片之间的连接关系相同，所述参考面片通过第二单满映射与其所对应的所述真实面片的所述参数域一一对应；根据所述第一单满映射和所述第二单满映射，建立每一所述参考面片与其所对应的所述真实面片之间的第三单满映射；通过所述第二单满映射将所述参数域以及设于所述参数域上的所述筋条构件映射为参考加筋结构；对所述参考加筋结构进行网格划分，得到参考有限元网格，并通过所述第三单满映射将所述参考有限元网格映射为所述薄壁加筋结构的真实有限元网格；

对所述真实有限元网格施加载荷和约束，进行有限元分析，得到力学指标；

形成优化列式，在优化求解器中进行拓扑优化计算，所述优化列式包括目标函数、约束函数和设计变量；根据所述目标函数和所述设计变量，计算形状灵敏度；所述设计变量包括每个所述筋条构件的所述几何参数；所述目标函数、所述约束函数和所述形状灵敏度的计算中，所需要的信息来自所述力学指标与所述约束条件。

本发明还公开了一种薄壁加筋结构的拓扑优化装置，所述薄壁加筋结构包括薄壁结构和设置在所述薄壁结构上的加强筋，其特征在于，所述装置包括：