[发明专利]基于等效移动载荷法的结构拓扑优化方法

说明书

本发明提供一种基于等效移动载荷法的结构拓扑优化方法，用于解决现有工况中存在瞬变移动载荷条件下，需要解决结构优化的技术问题。该技术方案将瞬变移动载荷的连续作用，等效为有限个工况的多工况问题，同时为保证优化过程中考虑瞬变移动载荷的特性，根据瞬变移动载荷的作用效果，为每个工况条件施加不同权重，最终实现结构在瞬变载荷作用下的拓扑优化。本发明能够使优化目标结构在移动载荷作用下获得轻量化设计的同时，能够扩大结构拓扑优化设计对象的范围，有效保留或提高其力学性能，从而提高结构材料的利用率，改善结构的应力分布，进而大大减少设计迭代次数和设计时间。

技术领域

本发明涉及工程结构优化设计领域，尤其涉及实际工况中承受移动载荷作用的关键部件结构的拓扑优化设计方法。

背景技术

现代结构拓扑优化的主要研究对象是连续体结构，显示连续体结构中不同位置的材料是否应该保留的特征。利用有限元分析方法，以单元的相对密度作为设计变量，利用数学规划法和准则法，根据给定的优化目标和边界条件，在连续体中建立孔洞，形成带孔的连续体，从而实现连续体的拓扑优化设计。BendsoeKikuchi于1988年提出了均匀化方法，连续体结构拓扑优化就此诞生。目前，连续体结构拓扑优化方法已经有很多，主要有均匀化方法、变密度法和渐进结构法等。拓扑优化的研究内容不断地扩展，由单一目标函数到多目标函数的拓扑优化设计，由单一工况到多工况的拓扑优化设计。

上述拓扑优化问题解决的都是固定载荷问题，即结构所受到的载荷不随时间发生作用点或作用大小发生变化。实际环境中，很多结构承受的都是移动载荷，即其作用点或作用大小随时间发生变化，如高速列车车轮所受的挤压和摩擦载荷、厂房中吊车梁承受的吊车载荷、盘式制动器制动盘所受制动压力和摩擦阻力等。因此，在对以上这类承受移动载荷的结构进行拓扑优化设计时，需要重点解决移动载荷带来的困难。

文献“郭中泽，陈裕泽，罗景润，等.旋转惯性过载作用下结构拓扑优化设计研究[J].宇航学报，2007，28(5):1353-1357.”公开了一种旋转惯性过载作用下结构拓扑优化方法。其利用灵敏度“逻辑与”综合方式的多工况结构优化设计的方法，结合惯性过载作用下结构拓扑优化的灵敏度分析，研究了旋转惯性过载作用下再入体结构拓扑优化设计。该方法中指出参与“逻辑与”计算的成员数量需要采用加倍工况的方法进行试算，这大大降低了结构拓扑优化方法的计算效率和计算精度。

因此，实际工况中，如何适用于承受移动载荷作用的关键部件结构的拓扑优化设计方法亟待提出。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于等效移动载荷法的结构拓扑优化方法，适用于承受移动载荷部件。本发明主要利用等效移动载荷法将连续作用的移动载荷离散为有限多个工况，从而对所设计的关键部件进行转化后的多工况结构拓扑优化。利用此方法可解决移动载荷(作用点及大小随作用时间变化的载荷)无法施加在拓扑优化模型中的问题，优化出的结构能够在满足原有结构性能要求的前提下找到最佳传力路径，极大减轻结构重量，提高材料利用率。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于等效移动载荷法的结构拓扑优化方法，其特征在于包括如下步骤：

—根据优化目标物体的结构，建立该物体的三维模型，确定三维模型中非优化区域及优化区域；

—对所述三维模型进行有限元网格划分，设置所述三维模型的材料属性，并根据所述三维模型的实际工况条件给定边界条件；

—将优化目标物体所受的瞬变移动载荷转化为多个工况，所得到的工况总数为N_max，N_max为大于1的整数；

—设定初始工况的序号N为1，在该工况条件下进行有限元分析；

—对工况序号N进行判断，若N＝N_max，则继续进行后续计算，若N≠N_max，则更新工况序号，令N＝N+1，继续之前的有限元分析；