【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高性能运载装备材料结构一体化设计领域，涉及一种针对任意复杂结构,基于有序材料场级数展开(material field series expansion method,mfse)插值的材料结构一体化拓扑优化方法。
技术介绍
1、自然界中广泛存在的多尺度结构表现出了高热传导系数、高屈曲强度、高比模量、抵抗偶然失效等出色性能，引发了学界和工程界的广泛关注。从自然界得到启发，已经提出了许多具有出色性能的结构，并应用在如冲击吸能、医疗器械、运载装备等多个领域。然而，随着现代科技的进步，传统的自然启发和经验启发的方式已经很难获得创新性构型，对结构设计水平提出了更高的要求。作为一种数值优化方法，拓扑优化可以摆脱人为猜测，找到意想不到的出色结构构型设计，因此将拓扑优化方法用于多尺度设计，同时设计微结构的宏观分布和微结构的具体材料组成，即材料结构一体化设计，从而提高航空航天小型零部件的多方面性能，成为了提高现代运载装备综合性能的有效途径之一。
2、基于均匀化理论和拓扑优化方法，对结构进行材料结构一体化设计的方法属于多尺度并发拓扑优化(multiscale concurrent topology optimization,mcto)的研究范畴。常规方法在优化过程中只引入了一种微结构，应该指出，在多尺度并发拓扑优化设计中引入更多类型的微结构将进一步扩大设计空间。为了引入更多类型的微结构，可以采用两种描述方法，即基于预定义区域的方法和基于多材料的方法。然而，由于均匀化理论中尺度分离假设的存在，不同微结构之间连接性(兼容性)较差
3、直到目前，基于多材料插值的mcto方法研究中，有关多材料插值方案的探索和微结构连接性的讨论都是独立进行的，将二者在优化模型中同时考虑并未深入探讨。应该指出，通过不同多材料插值方案优化得到的多尺度结构表现出不同的特点，显然，在优化模型中融合插值方案优化结果的特点并提出相应的连接性方法，可以显著减少因保证连接性而导致的性能下降。此外，基于多材料插值描述的mcto方法将引入大量设计变量，从而严重影响优化效率；并且由于其数值实现复杂和计算效率低下，现有的mcto方法大多局限于规则结构设计，在实际工程中的吸引力和应用前景都比较有限。
4、因此，需要提出一种能够有效结合多材料插值方案特点以实现微结构连接性的拓扑表征方法，并提出针对任意复杂设计域的多尺度并发拓扑优化框架，该框架的提出将很大程度地提高多尺度并发拓扑优化方法在实际工程中的应用前景，在运载装备轻量化设计、多功能设计的指引下，有助于推广其后续的开发应用。
技术实现思路
1、本专利技术主要针对运载装备小型零部件的结构双尺度设计问题，提出一种基于有序插值材料场级数展开的材料结构一体化拓扑优化方法。本方法针对任意几何文件进行体素化操作生成六面体网格，同时实现微结构的连接性和拓扑降维。通过单场表多相的材料场级数展开方法和相关函数驱动连接性方法，引入单一材料场函数来描述多个微结构的宏观分布，再定义一种新颖的微结构表征策略来保证不同微结构的连接性，实现双尺度结构中的可连接微结构设计。本专利技术在优化过程中没有引入额外约束，很自然的实现了微结构之间的连接性，同时设计变量数目大量减少，大大提高了拓扑优化的效率，绝大部分时间都花费在有限元分析上。通过本专利技术，可以对任意结构进行材料结构一体化设计。
2、为了达到上述目的，本专利技术的具体技术方案为：
3、一种基于有序mfse插值的材料结构一体化拓扑优化方法，所述优化方法主要包括任意结构规则六面体网格生成，宏观有序材料场级数展开多材料插值方法，微观相关函数驱动连接性方法、结构多尺度并发拓扑优化四部分。为了描述的方便，采用上标“mac”和“mic”分别表示宏观尺度和微观尺度，其具体步骤如下：
4、第一步，针对任意结构，体素化生成规则六面体网格
5、1.1)得到结构设计域的空间背景网格尺寸：
6、通常而言，可以以通用几何模型文件的形式提供任意复杂设计域的几何信息，如iges、obj等，得到几何模型；采用现有商业cad软件将几何模型转化为具有多个三角片信息的stl面片格式文件，如solidworks、catia、ug等。针对stl格式文件中每个三角片信息，计算每个三角片的中心点，其计算公式如下：
7、
8、其中，表示第i个三角片的中心点坐标，表示属于第i个三角片的第j个顶点坐标。
9、随后，根据全部三角片的中心点信息，计算复杂设计域的几何尺寸，其计算公式如下：
10、
11、其中，lmin表示x方向的最小坐标值；lmax表示x方向的最大坐标值；wmin表示y方向的最小坐标值；wmax表示y方向的最大坐标值；hmin表示z方向的最小坐标值；hmax表示z方向的最大坐标值；表示表示所有三角形面片中心点的x方向最小坐标值；表示所有三角形面片中心点的x方向最大坐标值；表示所有三角形面片中心点的y方向最小坐标值；表示所有三角形面片中心点的y方向最大坐标值；表示所有三角形面片中心点的z方向最小坐标值；表示所有三角形面片中心点的z方向最大坐标值。
12、因此，得到结构设计域的空间背景尺寸为ω＝[lmin,lmax]∪[wmin,wmax]∪[hmin,hmax]。
13、1.2)划分生成规则的六面体网格
14、随后，指定六面体网格的单元大小，将空间背景尺寸根据其单元大小进行划分，将复杂设计域投影到一个规则化划分的空间背景六面体网格中。然后，检查每个三角形和所划分的六面体网格的单元是否重叠，构建设计域的边界信息：如果重叠，则将重叠的单元标记为1，代表该单元将作为有限元分析网格的一部分；如果不重叠，则标记为0，代表该单元将在有限元分析中剔除。构建完设计域的边界信息后，采用洪水填充算法(泛洪算法)，利用设计域的边界信息填充设计域内部，将内部单元均标记为1，代表这些单元都将作为有限元分析网格的一部分。随后，将标记为0的体素删除，这就针对任意结构生成了规则六面体网格，使得后续可以采用均匀化理论进行多尺度有限元计算。
15、第二步，宏观有序材料场级数展开(ordered-mfse)多材料插值方法
16、2.1)在构建完结构设计域的规则六面体网格后，计算每个单元的中心点，并令其为材料场的观察点，采用相关函数计算若干观察点之间的空间相关性，相关函数定义为：
17、
18、其中，xi＝(xi,yi,zi)，xj＝(xj,yj,zj)分别是两观察点i和j的空间位置；lcx,lcy,和lcz分别是沿着三个坐标轴方向的相关长度，通常而言，各方向的相关长度根据子分区的尺寸而决定，可以独自定义，故又称为各向异性相关本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于有序MFSE插值的材料结构一体化拓扑优化方法，其特征在于，所述优化方法主要包括任意结构规则六面体网格生成，宏观有序材料场级数展开多材料插值方法，微观相关函数驱动连接性方法、结构多尺度并发拓扑优化四部分。
2.根据权利要求1所述的一种基于有序MFSE插值的材料结构一体化拓扑优化方法，其特征在于，所述的一体化拓扑优化方法中采用上标“Mac”和“Mic”分别表示宏观尺度和微观尺度，其具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种基于有序MFSE插值的材料结构一体化拓扑优化方法，其特征在于，所述的步骤1.1)中，每个三角片的中心点的计算公式如下：
4.根据权利要求2所述的一种基于有序MFSE插值的材料结构一体化拓扑优化方法，其特征在于，所述的步骤2.1)中：
5.根据权利要求2所述的一种基于有序MFSE插值的材料结构一体化拓扑优化方法，其特征在于，所述的步骤2.3)中：
6.根据权利要求2所述的一种基于有序MFSE插值的材料结构一体化拓扑优化方法，其特征在于，所述的步骤3.3)中，微观的Heaviside投影函数以Si
7.根据权利要求2所述的一种基于有序MFSE插值的材料结构一体化拓扑优化方法，其特征在于，所述的步骤4.6)中，终止准则为达到预先设定的最大迭代步数或目标函数在连续五次迭代步的相对改变量小于0.1％。
...【技术特征摘要】
1.一种基于有序mfse插值的材料结构一体化拓扑优化方法，其特征在于，所述优化方法主要包括任意结构规则六面体网格生成，宏观有序材料场级数展开多材料插值方法，微观相关函数驱动连接性方法、结构多尺度并发拓扑优化四部分。
2.根据权利要求1所述的一种基于有序mfse插值的材料结构一体化拓扑优化方法，其特征在于，所述的一体化拓扑优化方法中采用上标“mac”和“mic”分别表示宏观尺度和微观尺度，其具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种基于有序mfse插值的材料结构一体化拓扑优化方法，其特征在于，所述的步骤1.1)中，每个三角片的中心点的计算公式如下：
4.根据权利要求2所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗阳军，孙肇优，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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