[发明专利]一种数据驱动的双尺度结构的优化设计方法及设备

权利要求书

1.一种数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将双尺度结构的设计域中各个单元对应微结构的切割高度作为设计变量，利用各单元中不同切割高度的微结构描述所述双尺度结构；

(2)对两种微结构进行min处理以取并集获得单元的真实微结构，并利用均匀化方法计算切割间距下各单元的等效弹性矩阵，进而得到的离线数据库；

(3)利用插值函数将离线数据库中的等效弹性矩阵和微结构的体积分别转化为任一切割高度下的弹性常数及体积分数，并进一步进行有限元分析以得到整体位移向量；

(4)构建体积约束下的柔度最小化优化模型，该模型的设计目标为使双尺度结构柔度最小；

(5)分别计算柔度最小化优化模型的目标函数及约束函数对设计变量的灵敏度，基于计算得到的灵敏度对设计变量进行更新，进而得到最优的双尺度结构。

2.如权利要求1所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于：用水平集函数和切割函数表示一次切割操作得到的组合函数

其中D为参考域，

将切割结果按照正负关系定义虚拟微结构

通过对虚拟微结构进行布尔并集操作得到实际的微结构Ω^k：

选择对组合函数做min处理

同样地按照切割操作正负关系定义为实际微结构，最终利用实际微结构表示双尺度结构Ω：

根据计算均匀化理论，周期性微结构的宏观等效弹性张量表示为：

其中|V|表示微结构体积，E_pqrs表示微观结构局部弹性张量，为已知的宏观应变场。

3.如权利要求1所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于：利用紧支撑径向基函数插值公式和离线数据库求解任一切割高度下的弹性常数和体积分数：

φ(r)＝max{0，(1-r)⁴}(4r+1)，

其中p_i表示所述插值函数的坐标中心点；x在这里表示各单元中两种微结构的切割高度；τ为自由形状参数；d_s为自定义常数。

4.如权利要求3所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于：利用建立各所述单元的刚度矩阵K_e，将各个所述单元对应的刚度矩阵K_e组装为整体刚度矩阵K；

利用公式Ku＝f求解出整体位移向量u，f为外力向量，从而完成双尺度结构的有限元分析。

5.如权利要求3所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于：体积约束下的柔度最小化优化模型的表达式为：

其中I表示微结构的种类。

6.如权利要求5所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于：目标函数对于设计变量的灵敏度的计算公式为：

同时：

K_e＝B^TDBtA_e

其中B为单元应变矩阵，t为单元厚度，A_e为单元面积。

7.如权利要求6所述的数据驱动的双尺度结构的优化设计方法，其特征在于：约束函数对设计变量的灵敏度的计算公式为：

根据目标函数、约束函数以及它们关于设计变量的灵敏度，结合移动渐进线方法更新设计变量H_I，利用更新后的H_Inew表示各单元实际微结构的分布从而获得整体双尺度结构。