一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法技术

本发明专利技术公开了一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，包括下述步骤：采用SIMP密度插值模型进行拓扑优化；将拓扑优化结果二值化处理，得到拓扑二值图；对拓扑二值图进行边界扩充，构建e‑8邻域检测模型，利用骨架提取算法提取拓扑骨架图；设置第一约束准则；根据骨架节点判断模型对拓扑骨架图的骨架单元提取得到骨架节点图；设置合并准则合并相近骨架节点；设置第二约束准则；任意两个骨架节点之间采用线性插值生成杆件，基于e‑8邻域检测模型检测杆件路径上的8邻域的单元值情况，识别并保留杆件最终生成杆系结构。本发明专利技术提出完整的识别杆件的准则，实现计算机自动识别杆件并生成杆系结构，使拓扑优化结果便于进行建筑结构设计。

【技术实现步骤摘要】
一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法
本专利技术涉及结构拓扑优化
，具体涉及一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法。
技术介绍
建筑结构优化设计技术通过调整结构构件布局可以尽可能地提高结构抵抗外力的性能，有着十分重要的应用价值。对于钢结构或钢筋混凝土框架结构而言，一般对于结构构件布局进行优化的方法多采用离散优化方法，即在确定结构的基本构件(如钢筋混凝土框架结构的梁、柱)的基础上，对于其他构件(如斜支撑等)进行布局优化，所采用的策略基本上是枚举不同的斜支撑构件的节点连接位置，获得多个斜支撑布局方案，并对每种布局方案下的结构整体进行力学行为分析，然后比较各个方案的优劣性(通常以结构的整体抗侧刚度为指标)，从中选出最优的方案，即可认为其是最优拓扑。然而，由于斜支撑等构件连接节点的可选方案往往非常多，因而上述计算方法的计算量十分巨大，这就意味着离散优化对于计算机硬件要求高，计算耗时长。相对而言，连续体拓扑优化技术具有更高的计算效率，但是连续体拓扑优化的结果往往并非杆系结构，而是设计域内的某一优化后的实体结构，这对于汽车构件制造等领域是可行的，因为非规则的实体结构可以通过模具等进行快速大批量工业化制造，然而对于建筑结构，不规则的实体构件制造成本极高，且不便于安装。在现有的基于拓扑优化和骨架提取的杆系结构设计方法中，提取的骨架节点图是比较粗糙的，且是人为连成杆系结构的，人工干预性强，没有实现全部过程的计算机自动处理，不具有普遍性。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术提供一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，提出完整的识别杆件的准则，实现了计算机自动识别杆件并生成杆系结构，使拓扑优化结果便于进行建筑结构设计。本专利技术第二目的在于提供一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法的应用。本专利技术第三目的在于提供一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的系统；本专利技术第四目的在于提供一种存储介质；本专利技术第五目的在于提供一种计算设备。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，包括下述步骤：采用SIMP密度插值模型进行拓扑优化，得到拓扑优化结果；将拓扑优化结果进行图形二值化处理，得到拓扑二值图；提取拓扑骨架：对拓扑二值图进行边界扩充，构建e-8邻域检测模型，利用骨架提取算法检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域的单元值情况，进行非骨架单元识别，舍弃非骨架单元并保留骨架单元，提取得到拓扑骨架图；设置第一约束准则，所述第一约束准则设定为：边界约束单元和荷载作用线单元在拓扑骨架提取过程中保持为实体单元；构建骨架节点判断模型，根据骨架节点判断模型对拓扑骨架图的骨架节点单元提取得到骨架节点图；设置合并准则合并相近骨架节点，所述合并准则设定为：两两骨架节点计算距离，设置控制距离值，判定两骨架节点的距离小于所述控制距离值时，取两个骨架节点所连直线的几何中点为新的骨架节点，原有的两个骨架节点删除；设置第二约束准则，所述第二约束准则设定为：当两骨架节点的距离小于控制距离值时，且该两骨架节点的其中一个是边界约束点单元或荷载作用点单元，则合并骨架节点的时另一骨架节点归并到边界约束点单元或荷载作用点单元；任意两个骨架节点之间采用线性插值生成杆件，基于e-8邻域检测模型检测所述杆件路径上的8邻域的单元值情况，识别杆件，判定杆件路径上的8邻域实体单元的总数大于空洞单元的总数时保留杆件，否则舍弃，将保留的杆件生成杆系结构。作为优选的技术方案，所述将拓扑优化结果进行图形二值化处理，具体步骤包括：所述拓扑优化结果包括实体单元、空洞单元和中间单元，所述图形二值化处理将中间单元向实体单元或空洞单元转化，遍历所有单元，判定当前单元e的单元值小于预设的二值化处理阈值时，则将当前单元e置为空洞单元，否则置为实体单元，最终得到拓扑二值图。作为优选的技术方案，所述对拓扑二值图进行边界扩充，具体步骤包括：将拓扑二值图上、下、左、右各扩充一排空洞单元。作为优选的技术方案，所述检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域的单元值情况，进行非骨架单元识别，判断条件包括：检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域是否满足实体单元个数设定阈值范围；检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域是否满足实体单元连续；检测当前单元e上侧的单元是否满足8邻域内的实体单元不连续；检测当前单元e左侧的单元是否满足8邻域内的实体单元不连续；当判断条件均满足时，判定为非骨架单元，循环迭代判断过程直至将所有非骨架单元舍弃。作为优选的技术方案，所述构建骨架节点判断模型，具体步骤包括：构建多个骨架节点单元的基本判断模型，根据物体的形状旋转不变性原则，将骨架节点单元的基本判断模型旋转90°，180°，270°的得到新增判断模型，将骨架节点单元的基本判断模型与新增判断模型作为骨架节点判断模型。作为优选的技术方案，设置控制距离值，具体步骤包括：计算从骨架节点中任意选择两个骨架节点连成杆件的排列组合数，将两两骨架节点的距离信息储存在上三角矩阵中，上三角矩阵每行取中位数并求和再除以节点数，得到控制距离值。为实现本专利技术的第二目的，本专利技术提供一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法的应用，将上述将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法应用在悬臂梁结构或简支梁结构中。为实现本专利技术的第三目的，本专利技术提供一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的系统，包括：拓扑优化模块、二值化模块、拓扑骨架提取模块、第一约束准则设定模块、骨架节点判断模型构建模块、骨架节点提取模块、相近骨架节点合并模块、第二约束准则设定模块和杆件识别并生成模块；所述拓扑优化模块用于采用SIMP密度插值模型进行拓扑优化，得到拓扑优化结果；所述二值化模块用于将拓扑优化结果进行图形二值化处理，得到拓扑二值图；所述拓扑骨架提取模块用于提取拓扑骨架，对拓扑二值图进行边界扩充，构建e-8邻域检测模型，检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域的单元值情况，进行非骨架单元识别，舍弃非骨架单元并保留骨架单元，提取得到拓扑骨架图；所述第一约束准则设定模块用于设置第一约束准则，所述第一约束准则设定为：边界约束单元和荷载作用线单元在拓扑骨架提取过程中保持为实体单元；所述骨架节点判断模型构建模块用于构建骨架节点判断模型；所述骨架节点提取模块用于根据骨架节点判断模型对拓扑骨架图的骨架节点单元提取得到骨架节点图；所述相近骨架节点合并模块用于设置合并准则合并相近骨架节点，所述合并准则设定为：两两骨架节点计算距离，设置控制距离值，判定两骨架节点的距离小于所述控制距离值时，取两个骨架节点所连直线的几何中点为新的骨架节点，原有的两个骨架节点删除；所述第二约束准则设定模块用于设置第二约束准则，所述第二约束准则设定为：当两骨架节点的距离小于控制距离值时，且该两骨架节点的其中一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，其特征在于，包括下述步骤：/n采用SIMP密度插值模型进行拓扑优化，得到拓扑优化结果；/n将拓扑优化结果进行图形二值化处理，得到拓扑二值图；/n提取拓扑骨架：对拓扑二值图进行边界扩充，构建e-8邻域检测模型，利用骨架提取算法检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域的单元值情况，进行非骨架单元识别，舍弃非骨架单元并保留骨架单元，提取得到拓扑骨架图；/n设置第一约束准则，所述第一约束准则设定为：边界约束单元和荷载作用线单元在拓扑骨架提取过程中保持为实体单元；/n构建骨架节点判断模型，根据骨架节点判断模型对拓扑骨架图的骨架节点单元提取得到骨架节点图；/n设置合并准则合并相近骨架节点，所述合并准则设定为：两两骨架节点计算距离，设置控制距离值，判定两骨架节点的距离小于所述控制距离值时，取两个骨架节点所连直线的几何中点为新的骨架节点，原有的两个骨架节点删除；/n设置第二约束准则，所述第二约束准则设定为：当两骨架节点的距离小于控制距离值时，且该两骨架节点的其中一个是边界约束点单元或荷载作用点单元，则合并骨架节点的时另一骨架节点归并到边界约束点单元或荷载作用点单元；/n任意两个骨架节点之间采用线性插值生成杆件，基于e-8邻域检测模型检测所述杆件路径上的8邻域的单元值情况，识别杆件，判定杆件路径上的8邻域实体单元的总数大于空洞单元的总数时保留杆件，否则舍弃，将保留的杆件生成杆系结构。/n...

【技术特征摘要】
1.一种将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，其特征在于，包括下述步骤：
采用SIMP密度插值模型进行拓扑优化，得到拓扑优化结果；
将拓扑优化结果进行图形二值化处理，得到拓扑二值图；
提取拓扑骨架：对拓扑二值图进行边界扩充，构建e-8邻域检测模型，利用骨架提取算法检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域的单元值情况，进行非骨架单元识别，舍弃非骨架单元并保留骨架单元，提取得到拓扑骨架图；
设置第一约束准则，所述第一约束准则设定为：边界约束单元和荷载作用线单元在拓扑骨架提取过程中保持为实体单元；
构建骨架节点判断模型，根据骨架节点判断模型对拓扑骨架图的骨架节点单元提取得到骨架节点图；
设置合并准则合并相近骨架节点，所述合并准则设定为：两两骨架节点计算距离，设置控制距离值，判定两骨架节点的距离小于所述控制距离值时，取两个骨架节点所连直线的几何中点为新的骨架节点，原有的两个骨架节点删除；
设置第二约束准则，所述第二约束准则设定为：当两骨架节点的距离小于控制距离值时，且该两骨架节点的其中一个是边界约束点单元或荷载作用点单元，则合并骨架节点的时另一骨架节点归并到边界约束点单元或荷载作用点单元；
任意两个骨架节点之间采用线性插值生成杆件，基于e-8邻域检测模型检测所述杆件路径上的8邻域的单元值情况，识别杆件，判定杆件路径上的8邻域实体单元的总数大于空洞单元的总数时保留杆件，否则舍弃，将保留的杆件生成杆系结构。


2.根据权利要求1所述的将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，其特征在于，所述将拓扑优化结果进行图形二值化处理，具体步骤包括：
所述拓扑优化结果包括实体单元、空洞单元和中间单元，所述图形二值化处理将中间单元向实体单元或空洞单元转化，遍历所有单元，判定当前单元e的单元值小于预设的二值化处理阈值时，则将当前单元e置为空洞单元，否则置为实体单元，最终得到拓扑二值图。


3.根据权利要求1所述的将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，其特征在于，所述对拓扑二值图进行边界扩充，具体步骤包括：将拓扑二值图上、下、左、右各扩充一排空洞单元。


4.根据权利要求1所述的将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，其特征在于，所述检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域的单元值情况，进行非骨架单元识别，判断条件包括：
检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域是否满足实体单元个数设定阈值范围；
检测拓扑二值图上当前单元e的8邻域是否满足实体单元连续；
检测当前单元e上侧的单元是否满足8邻域内的实体单元不连续；
检测当前单元e左侧的单元是否满足8邻域内的实体单元不连续；
当判断条件均满足时，判定为非骨架单元，循环迭代判断过程直至将所有非骨架单元舍弃。


5.根据权利要求1所述的将连续体拓扑优化结果转换为杆系结构的方法，其特征在于，所述构建骨架节点判断模型，具体步骤包括：
构建多个骨架节点单元的基本判断模型，根据物体的形状旋转不变性原则，将骨架节点单元的基本判断模型旋转90°，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐安，李恕民，赵若红，傅继阳，吴玖荣，刘爱荣，邓挺，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东;44