[发明专利]带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法

摘要

本发明公开了一种带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法，用于解决现有的带孔薄壁曲面结构的孔洞优化设计方法难以直接采用解析表达式表达的技术问题。技术方案是利用曲面与相交柱面之间的布尔差运算实现草图平面上的孔洞设计变量对薄壁曲面上孔洞形状与位置的控制，这时孔周边界曲线实际上通过给定曲面与相交柱面之间的联立方程实现了隐式表达。从而自动满足了优化迭代过程中孔周边界曲线始终位于给定的曲面结构上的设计要求。

主权项

一种带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法，其特征在于包括下述步骤：(a)在有限元分析软件的前处理器或CAD建模软件中，建立无孔薄壁曲面结构的几何模型，对于循环对称结构建立无孔单胞几何模型；(b)根据设计要求确定每个孔洞在带孔薄壁曲面结构上的位置分布，每个孔洞需要设定独立的草图平面，通过设定原点位置和坐标轴方向建立各个孔洞对应的草图平面；(c)根据设计要求，采用椭圆、样条、B样条或者NURBUS曲线的形式绘制带孔薄壁曲面结构上的孔洞对应的位于草图平面上的平面边界曲线，选用椭圆平面边界曲线的长短轴半径，样条、B样条或者NURBS平面边界曲线的控制顶点坐标作为孔形设计变量，同时优化孔洞位置时，选用平面边界曲线中心在草图平面上的坐标作为孔洞位置设计变量；(d)采用垂直拉伸，即垂直于草图平面的方式拉伸，或沿与草图平面按照要求角度的方向拉伸，由带孔薄壁曲面结构上的孔洞在相应的草图平面上对应的平面边界曲线围成的区域生成与无孔薄壁曲面结构相交的柱体，多个孔洞时生成多个柱体，同时优化孔洞位置的情况下，选取柱体拉伸角度作为孔洞位置设计变量；(e)在有限元分析软件的前处理器或CAD建模软件中，利用无孔薄壁曲面结构与柱体之间的布尔差运算，从无孔薄壁曲面结构上去除位于柱体内部的区域，生成带孔的薄壁曲面结构，对于循环对称结构还需要再通过循环对称的方式生成带孔薄壁曲面结构的整体模型；这时带孔薄壁曲面结构上的孔周边界曲线通过无孔薄壁曲面结构与相交柱面之间的布尔差运算实现隐式表达；(f)采用壳单元划分带孔薄壁曲面的有限元网格，并根据实际工程背景和设计要求施加不同方向上的边界约束和拉力、扭矩、温度载荷；(g)选取孔周最大等效应力最小为优化目标，带孔薄壁曲面结构的曲面面积作为约束函数，约束函数的上限为采用初始孔洞时带孔薄壁曲面结构的曲面面积；根据初始孔形设定设计变量初始值，设计变量的变化范围在保证优化过程中带孔薄壁曲面结构的拓扑结构不变的前提下设定；建立带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计的优化模型；(h)设定遗传算法中种群大小、随机种子产生概率、交叉概率、变异概率、遗传代数的参数，采用遗传算法进行优化迭代计算。