[发明专利]一种圆柱壳加筋结构优化方法、装置、计算机和存储介质

说明书

本发明实施例公开了一种圆柱壳加筋结构优化方法、装置、计算机和存储介质。通过将圆柱壳映射为映射平板，将圆柱壳上的真实筋条构件映射为映射筋条构件，并以映射筋条构件的端部坐标和真实筋条构件的厚度作为设计变量，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，得到真实筋条构件的优化分布和圆柱壳加筋结构的优化结构，优化过程不依赖与背景网格，设计变量数大大降低，计算效率提高；且该优化结构包含真实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，并方便导出工程强度分析报告解决工程问题，整体上提高了优化和工作效率。

技术领域

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

背景技术

圆柱壳结构由于具有承载效率高且质量轻的特性，在汽车、船舶、航空航天等领域中有着广泛的应用。为了改善圆柱壳结构的承载性能，在过去的几十年中，众多专家学者已经开发出了好几种方法来分析和增强它的强度、刚度、稳定性等。在这些方法中，使用加筋结构设计是提高其性能最有效、成本最低的方法之一，而圆柱壳加筋结构的强度、刚度和动态性能等在很大程度上取决于加强筋的尺寸、形状和布局，因此如何合理的在圆柱壳上铺设加强筋成为了重要的问题。

工程以及学术界中通常使用拓扑优化方法来确定加强筋在圆柱壳上的位置、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强筋进行优化；该方法中，首先将加强筋所处的区域(加筋层)当成优化的设计域，将圆柱壳和加筋层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)对加强层进行拓扑优化设计，得到加强筋的最优材料分布，其次对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)，人工地提取出主要的筋条路径、几何特征参数，然后再根据识别出的筋条的尺寸、特征参数重新建立筋条模型，进行新一轮的形状和尺寸的参数优化，得到最优的形状、尺寸优化结果，最后通过上述的主要两个优化过程，可以得到最终的一种圆柱壳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，无法快速建模和优化求解，难以实现对筋条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，提出了一种圆柱壳加筋结构的优化方法、装置、计算机和存储介质，采用显式的拓扑优化方法，不仅直接控制和输出筋条构件的显式的几何参数尺寸，而且显著降低计算量。

一种圆柱壳加筋结构的优化方法，所述方法包括：

构建圆柱壳加筋结构的真实模型与映射模型，所述真实模型包含圆柱壳和设置于所述圆柱壳上的多个真实筋条构件，所述映射模型包含映射平板和设置于所述映射平板上的多个映射筋条构件；所述圆柱壳与所述映射平板为单满映射关系，每个所述真实筋条构件与每个所述映射筋条构件一一对应，使用真实几何参数表示每个所述真实筋条构件，使用映射几何参数表示每个所述映射筋条构件，所述真实几何参数与所述映射几何参数满足所述单满映射关系；

对所述映射模型划分映射有限元网格，将所述映射有限元网格通过所述单满映射关系的逆映射转化为真实有限元网格，对所述真实有限元网格施加载荷和约束条件，进行有限元分析，得到力学指标；

形成优化列式，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映射筋条构件的所述映射几何参数；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和所述约束条件；