[发明专利]增材制造中连通结构的拓扑优化设计方法

摘要

本发明公开了一种增材制造中连通结构的拓扑优化设计方法，用于解决现有连通结构的拓扑优化方法实用性差的技术问题。技术方案是在实体设计区域内布置一定数目封闭的孔洞特征，通过孔洞的移动、变形、融合、缩小和膨胀等行为来驱动结构的拓扑布局演变。此外，每个孔洞特征的中心点被控制在设计域之外，使孔洞特征不能完全进入到设计域之内形成封闭的孔洞，来达到结构连通的目的。相比背景技术的设计方法，本发明无需进行温度场分析，计算量少。此外，设计变量和单元无关，数目少、易收敛。本发明设计的结构边界光滑，内部不存在中间密度单元，有利于工程设计人员进行模型重构等后处理过程，实用性好。

主权项

1.一种增材制造中连通结构的拓扑优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、实体区域初始分布m个孔洞特征，并且孔洞特征的中心点全部位于实体区域的边界上；步骤二、利用KS函数得到整体结构的水平集函数Φ；式中，v_i为第i个孔洞特征的水平集函数；ln和e为自然对数和自然指数计算，p为KS函数的参数，且p>0，代表布尔并操作，负号代表特征是孔洞特征；步骤三、采用固定网格将实体区域离散，同时定义载荷和边界条件；步骤四、定义拓扑优化问题为：Min J＝FU式中J，V和表示结构的柔顺度，总体积和最大体积约束；K、F和U分别表示结构的总体刚度矩阵，总体载荷向量和位移向量；Ω表示实体区域，H是指Heaviside函数，用来筛选参与计算的积分点，x是积分点的坐标；是设计变量向量，包括了优化问题中所有的设计变量,d_t表示第t个设计变量，它的上限和下限分别是d_t和步骤五、对上面建立的模型进行一次有限元分析，分别对目标函数和约束函数进行灵敏度分析；选取优化算法GCMMA进行优化设计，得到最优化结果。