三維箱型結(jié)構(gòu)筋板分布仿生優(yōu)化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種箱型結(jié)構(gòu)設計方法，特別涉及一種針對三維箱型結(jié)構(gòu)筋板分布的 仿生優(yōu)化設計方法。
【背景技術】
[0002] 諸如大型橋梁結(jié)構(gòu)、機床的床身、起重機的大梁等工程結(jié)構(gòu)，一般都設計為內(nèi)部布 置有加強筋板的箱體結(jié)構(gòu)，以滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性等設計要求。箱型結(jié)構(gòu)中的筋板 能將作用于局部的載荷有效地傳遞給其它部分，從而增加箱型結(jié)構(gòu)的強度和剛度，使箱型 結(jié)構(gòu)具有高剛高強輕質(zhì)的優(yōu)點。箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)部筋板的分布是影響結(jié)構(gòu)力學性能的主要因 素，因此研究箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)部筋板的合理布局，使結(jié)構(gòu)的綜合性能最優(yōu)是非常必要的。
[0003]目前工程中的箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)部筋板分布設計一般為基于材料力學中梁理論的經(jīng)驗 設計方法。對于復雜載荷條件下的實際工程結(jié)構(gòu)，經(jīng)驗設計無法得到較優(yōu)的設計方案。為 了滿足設計要求，通常采用增加筋板個數(shù)和筋板厚度的方法，使得設計的結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，用料 多，加工復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出了一種三維箱型結(jié)構(gòu)筋板分布仿生優(yōu)化設計方法，該方法基于自然界 分枝系統(tǒng)形態(tài)形成的機理，將三維箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)部的加筋板看成是從一條"種子線"開始成長 的分枝，使結(jié)構(gòu)在成長筋板的同時，智能地趨于具有最優(yōu)機械性能的結(jié)構(gòu)。
[0005] 本發(fā)明的技術方案為：一種三維箱型結(jié)構(gòu)筋板分布仿生優(yōu)化設計方法，包括如下 步驟：
[0006] 1.首先根據(jù)設計對象的外形尺寸，建立設計用的幾何模型，該幾何模型由面板和 內(nèi)部填充材料組成，其中面板材料和設計對象相同，內(nèi)部填充材料為一種假設的軟性材料， 其彈性模量為面板材料的1/1000,采用線性六面體單元對填充材料區(qū)域進行離散，由連接 六面體單元的節(jié)點形成一階殼單元作為箱形結(jié)構(gòu)的筋板，筋板的初始厚度為T。，T。的值很 小，忽略其對設計模型的影響；
[0007] 2.根據(jù)設計對象的載荷邊界條件，選擇若干個單元邊界作為"種子線"，與"種子 線"相連的筋板作為成長的活動筋板；對整個結(jié)構(gòu)進行有限元分析，并對活動筋板進行設計 靈敏度分析；
[0008] 3.筋板成長：根據(jù)自然界分枝系統(tǒng)成長的機理，即分枝總是沿著使整個系統(tǒng)功能 最優(yōu)的方向和速度成長，筋板的厚度按照（1)式進行更新：
Γ
[0010] 式中T1 (i = 1，2, 3,…，I)是設計變量，即第i個筋板的厚度。T,和T ^是T i.的 上限和下限，A1為第i個筋板的面積，α為步長因子，G i由式（2)計算得到，
[0011] G1 = -T1S1 (2)
[0012] 其中S1為第i個筋板的設計靈敏度，X是拉格朗日乘子，根據(jù)式（3)計算得到，
[0014] 式中，η是體積分數(shù)，即最終設計的筋板占材料的百分比；％是初始幾何模型的體 積；
[0015] 4.分歧過程：如果某一筋板更新后的厚度大于或等于設定的分歧臨界值，該筋板 的兩條邊被認為具有分歧的能力，與之相連的所有殼單元均成為新增的活動筋板，進入步 驟3進行下一成長步；而當某一筋板的厚度減少到筋板的初始厚度Τ。時，該筋板被認為已 退化，與之相連的所有殼單元也不能繼續(xù)成長；
[0016] 5.反復進行步驟3和4,直至成長了的筋板總體積達到預定的總體積上限τι ν。。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：該方法基于自然界分枝系統(tǒng)形態(tài)形成的機理，將三維箱型 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的加筋板看成是從一條"種子線"開始成長的分枝，使結(jié)構(gòu)在成長筋板的同時，智 能地趨于具有最優(yōu)機械性能的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的箱型結(jié)構(gòu)筋板分布仿生優(yōu)化設計得到的 結(jié)構(gòu)筋板布局更加清晰，且厚度大致已知，減少了后處理過程。
【附圖說明】
[0018] 圖1為設計用幾何模型，其中（a)為內(nèi)部填充材料的幾何模型，（b)為幾何模型中 的線性六面體單元；
[0019] 圖2為四角固支箱型結(jié)構(gòu)承受中心集中載荷作用的設計模型；
[0020] 圖3為形成設計對象的初始幾何模型；
[0021] 圖4為本發(fā)明的筋板單元優(yōu)化結(jié)果立體圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明的筋板單元優(yōu)化結(jié)果俯視圖；
[0023] 圖6為優(yōu)化過程中優(yōu)化目標結(jié)構(gòu)應變能比與優(yōu)化約束體積比的迭代歷程圖；
[0024] 圖7為OptiStruct優(yōu)化軟件得到優(yōu)化結(jié)果。
【具體實施方式】
[0025] -種三維箱型結(jié)構(gòu)筋板分布仿生優(yōu)化設計方法，包括如下步驟：
[0026] 1.首先根據(jù)設計對象的外形尺寸，建立設計用的幾何模型。該幾何模型由面板和 內(nèi)部填充材料組成，其中面板材料和設計對象相同，內(nèi)部填充材料為一種假設的軟性材料， 其彈性模量為面板材料的1/1000。采用線性六面體單元對填充材料區(qū)域進行離散，由連接 六面體單元的節(jié)點形成一階殼單元作為箱形結(jié)構(gòu)的筋板，初始筋板的厚度為數(shù)值很小、可 忽略不計的T。。設計用幾何模型如圖1所示。
[0027] 2.根據(jù)設計對象的載荷邊界條件，選擇若干個單元邊界作為"種子線"，與"種子 線"相連的筋板是可以成長的活動筋板；對整個結(jié)構(gòu)進行有限元分析，并對活動筋板進行設 計靈敏度分析。
[0028] 3.筋板成長：根據(jù)自然界分枝系統(tǒng)成長的機理，即分枝總是沿著使整個系統(tǒng)功能 最優(yōu)的方向和速度成長，筋板的厚度按照（1)式進行更新。
[0030] 式中T1 (i = 1，2, 3,…，I)是設計變量，即第i個筋板的厚度。T11和T ^是T i.的 上限和下限，A1為第i個筋板的面積，α為步長因子，G1由式（2)計算，其中S 1為第i個筋 板的設計靈敏度。X為拉格朗日乘子，可根據(jù)式（3)計算得到。
[0033] 式中，η是體積分數(shù)，即最終設計的筋板占材料的百分比；％是初始幾何模型的體 積。
[0034] 4.分歧過程：如果某一筋板更新后的厚度大于或等于設定的分歧臨界值，該筋板 的兩條邊被認為具有分歧的能力，與之相連的所有殼單元均成為新增的活動筋板，進入步 驟（3)進行下一成長步；而當某一筋板的厚度減少到筋板的初始厚度Τ。時，該筋板被認為 已退化，與之相連的所有殼單元也不能繼續(xù)成長；
[0035] 5.步驟3和4反復進行，直至成長了的筋板總體積達到預定的總體積上限τι ν。。
[0036] 以四角固支箱型結(jié)構(gòu)為例，說明本發(fā)明的適用性。
[0037] 如圖2所示，模型長、寬、高分別為L，W，H，模型長寬高之比為L:W:H = 4:4:1。
[0038] 應用箱型結(jié)構(gòu)筋板分布的仿生優(yōu)化設計方法，將模型離散為8X8X2個網(wǎng)格，連 接實體單元節(jié)點生成筋板單元，最后形成設計對象的初始幾何模型如圖3所示。
[0039] 為了得到具有最大剛度的箱體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學模型為，
[0040] find T = [TljT2, ...,TJt
[0041] min U(T) (4)
[0042] s. t. g (T) = v - n V0^ 0
[0043] 〇<tl<Ti<tu i = I, 2, . . . , η
[0044] 式中U為結(jié)構(gòu)應變能。
[0045] 根據(jù)箱型結(jié)構(gòu)的支撐和承載情況，選擇幾何模型上如圖3所示的5條"種子線"。 對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，計算活動筋板的設計靈敏度。判斷活動筋板單元的狀態(tài)，如果滿足 退化要求，則該筋板單元退出活動筋板組；如果滿足分歧條件，則與該筋板單元相連的筋板 被放入活動筋板數(shù)組中，參與下一輪成長。當成長了的筋板總體積達到預定的總體積上限 ηV。，則退出循環(huán)，否則繼續(xù)成長。本例中η取1.25。
[0046] 優(yōu)化結(jié)果如圖4,5所示。圖6為優(yōu)化過程中優(yōu)化目標結(jié)構(gòu)應變能比與優(yōu)化約束 體積比的迭代歷程圖，結(jié)構(gòu)的體積隨著迭代步的增長而收斂，經(jīng)過100次迭代，直至達到 體積上限而終止。應變能隨著迭代步的增長而逐漸降低并趨于平穩(wěn)，最終應變能u/u。= 1. 11X10 2O
[0047] 如圖7為OptiStruct優(yōu)化軟件得到優(yōu)化結(jié)果，可見兩者得到筋板布局一致，都是 交叉筋的布局形式，可以有效地將載荷傳遞到支撐點，而且是最有效的傳力路徑。但本發(fā)明 提出的箱型結(jié)構(gòu)筋板分布仿生優(yōu)化設計得到的結(jié)構(gòu)筋板布局更加清晰，且厚度大致已知， 減少了后處理過程，更進一步說明了本發(fā)明的優(yōu)點。
【主權項】
1. 一種三維箱型結(jié)構(gòu)筋板分布仿生優(yōu)化設計方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 首先根據(jù)設計對象的外形尺寸，建立設計用的幾何模型，該幾何模型由面板和內(nèi)部 填充材料組成，其中面板材料和設計對象相同，內(nèi)部填充材料為一種假設的軟性材料，其彈 性模量為面板材料的1/1000,采用線性六面體單元對填充材料區(qū)域進行離散，由連接六面 體單元的節(jié)點形成一階殼單元作為箱形結(jié)構(gòu)的筋板，筋板的初始厚度為T。，T。的值很小，忽 略其對設計模型的影響； (2) 根據(jù)設計對象的載荷邊界條件，選擇若干個單元邊界作為"種子線"，與"種子線"相 連的筋板作為成長的活動筋板；對整個結(jié)構(gòu)進行有限元分析，并對活動筋板進行設計靈敏 度分析； (3) 筋板成長：根據(jù)自然界分枝系統(tǒng)成長的機理，即分枝總是沿著使整個系統(tǒng)功能最 優(yōu)的方向和速度成長，筋板的厚度按照（1)式進行更新：式中Tji= 1，2,3，···，Ι)是設計變量，即第i個筋板的厚度。ff和7'/是IV的上限 和下限，4為第i個筋板的面積，α為步長因子，Gi由式（2)計算得到， G, = -T.S, (2) 其中Si為第i個筋板的設計靈敏度，X是拉格朗日乘子，根據(jù)式（3)計算得到，式中，n是體積分數(shù)，即最終設計的筋板占材料的百分比；v。是初始幾何模型的體積； (4) 分歧過程：如果某一筋板更新后的厚度大于或等于設定的分歧臨界值，該筋板的 兩條邊被認為具有分歧的能力，與之相連的所有殼單元均成為新增的活動筋板，進入步驟 (3)進行下一成長步；而當某一筋板的厚度減少到筋板的初始厚度Τ。時，該筋板被認為已 退化，與之相連的所有殼單元也不能繼續(xù)成長； (5) 反復進行步驟（3)和（4)，直至成長了的筋板總體積達到預定的總體積上限τιν。。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維箱型結(jié)構(gòu)筋板分布仿生優(yōu)化設計方法，包括如下步驟：1、首先根據(jù)設計對象的外形尺寸，建立設計用的幾何模型，2、根據(jù)設計對象的載荷邊界條件，選擇若干個單元邊界作為“種子線”，與“種子線”相連的筋板作為成長的活動筋板；對整個結(jié)構(gòu)進行有限元分析，并對活動筋板進行設計靈敏度分析；3、筋板成長：根據(jù)自然界分枝系統(tǒng)成長的機理，即分枝總是沿著使整個系統(tǒng)功能最優(yōu)的方向和速度成長；4、分歧過程；5、反復進行步驟3和4，直至成長了的筋板總體積達到預定的總體積上限？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？。該方法將三維箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)部的加筋板看成是從一條“種子線”開始成長的分枝，使結(jié)構(gòu)在成長筋板的同時，智能地趨于具有最優(yōu)機械性能的結(jié)構(gòu)。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105260567
【申請?zhí)枴緾N201510749947
【發(fā)明人】丁曉紅, 董小虎, 張橫
【申請人】上海理工大學
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月6日