【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及结构优化领域，尤其涉及一种热稳定承载的支架结构拓扑优化方法。
技术介绍
1、结构拓扑优化是一种逐点优化材料空间布局的结构设计方法，可设计承载性能优化的轻质构型。在实际工程应用中，承载结构产生的变形不仅受到外力载荷影响，还受到环境热波动影响。在拓扑优化设计中若忽略环境热波动的影响，优化设计的实际承载性能将与设计预期不符。例如，月球车需在昼夜温差大的月球表面服役，其支架结构受到由于外力载荷引起的机械变形、由于热胀冷缩引起的热变形两大影响。在高昼夜温差下，传统未考虑环境波动的拓扑优化方法所设计月球车支架结构易发生大变形失效。因此，需考虑环境热波动下的热稳定承载性能结构设计。
2、现有的考虑热稳定承载结构的拓扑优化方法中，往往是在给定热载荷条件下进行优化，即热载荷与结构拓扑不相关且未考虑变温环境对结构性能的影响。
3、因此，本领域的技术人员致力于开发一种热稳定承载的支架结构拓扑优化方法。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是在热稳定承载结构拓扑优化设计中，如何处理热载荷以及环境热波动的不利影响。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种热稳定承载的支架结构拓扑优化方法，所述方法包括以下步骤：
3、s101：定义设计域和非设计域，并完成初始化设置；
4、s103：基于密度过滤函数和投影函数，将设计变量转化为物理变量；
5、s105：建立所述支架结构的弹性系数和导热系数的
6、s107：根据构建的有限元网格模型，构建和组装系统的传热矩阵和刚度矩阵；
7、s109：执行传热学仿真计算，根据温度场得到单元的等效热载荷；
8、s111：执行静力学仿真计算，计算所述支架结构的设计响应；
9、s113：计算所述设计响应对所述设计变量的灵敏度；
10、s115：建立优化模型，基于移动渐近线算法求解所述优化模型，并更新所述设计变量；
11、s117：对优化结果进行后处理，生成表面光滑的所述支架结构。
12、进一步地，所述s101中的所述初始化设置包括设置所述支架结构的材料参数、设置载荷工况和温度工况，并将所述设计变量初始化为用于间接表示结构的相对密度。
13、进一步地，在所述s103中，所述密度过滤函数为：
14、
15、其中，为单元e经过密度过滤后的中间变量，me＝{i|||xi-xe||≤rmin}为单元e以rmin为半径的邻域，xi与xe分别为单元i与单元e的中心坐标，hie＝max{rmin-||xi-xe||,0}为权重系数，μi为单元i的设计变量，ω2为设计域；
16、所述投影函数为：
17、
18、其中，ρe表示单元e的物理变量，β为投影的陡度，η为投影阈值。
19、进一步地，在所述s105中，所述支架结构的所述弹性系数插值模型为：
20、ee＝emin+ρep(e0-emin)
21、所述支架结构的所述导热系数插值模型为：
22、κe＝κmin+ρep(κ0-κmin)
23、其中，ee为单元e经插值后得到的弹性模量，κe为单元e经插值后得到的导热系数，e0为材料杨氏模量，κ0为材料导热系数，emin、κmin为避免有限元求解矩阵奇异引入的最小值，p为惩罚系数。
24、进一步地，在所述s107中，所述传热矩阵为：
25、
26、所述刚度矩阵为：
27、
28、其中，h为系统传热矩阵，k为系统刚度矩阵，be为单元e的应变矩阵，ωe为单元e所在区域，n为单元数量。
29、进一步地，在所述s109中，所述等效热载荷采用如下方式计算：
30、
31、其中，ft为等效热载荷，t为温度场，δte为单元e相对热膨胀参考温度的温升，α为材料的热胀系数，φ为常数，对于三维问题φ＝[1 1 1 0 0 0]t。
32、进一步地，在所述s111中，在所述静力学仿真计算中，静力学控制方程为：
33、k·u-(ft+fm)＝0
34、其中，ft为等效热载荷，fm为力载荷，u为位移场，k为刚度矩阵。
35、进一步地，在所述s111中，所述支架结构的设计响应包括高温和低温两种情况下的所述支架结构的热柔度、最大位移和结构体积分数，
36、所述热柔度为：
37、
38、所述最大位移为：
39、
40、所述结构体积分数为：
41、
42、其中，u为位移场，k为刚度矩阵，ρi表示单元i的物理变量。
43、进一步地，所述s113包括如下子步骤：
44、s1131：计算所述热柔度对物理变量场的灵敏度：
45、
46、s1132：计算所述位移场对所述物理变量场的灵敏度：
47、
48、s1133：结合链式法则得到所述设计响应相对所述设计变量的灵敏度：
49、所述热柔度对所述设计变量的灵敏度为：
50、
51、所述位移场对所述设计变量的灵敏度为：
52、
53、其中，为伴随向量，通过以下公式求得：
54、
55、所述等效热载荷对所述物理变量场的偏导数为：
56、
57、c为热柔度，u为位移场，μe为设计变量，ρe为单元e的物理变量场。
58、进一步地，在所述s115中，所述优化模型如下：
59、
60、s.t.v≤v*
61、umax≤u*
62、h·t-pt＝0
63、k·u-(ft+fm)＝0
64、0≤μe≤1,e＝1,2,…,n
65、其中，γ为权重系数，v*为体积约束上限，u*为位移约束上限，ca为温度场最低温度时的热柔度，cb为温度场最高温度时的热柔度。
66、在本专利技术的较佳实施方式中，和现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
67、1、本专利技术所提出的一种考虑热稳定承载的支架结构拓扑优化方法，能够针对环境热波动下的热力耦合优化问题，开展热稳定承载结构拓扑优化设计，获得在实际热环境波动下具有高比刚度、抗热变形性能的承载结构，提升结构的环境热波动下的承载力学承载性能，解决了传统拓扑优化方法所设计承载支架结构在大环境波动下刚度低、易失效的难题。
68、2、本专利技术所提出的一种考虑热稳定承载的支架结构拓扑优化方法，可以用于热波动环境中的支架结构设计，保证结构的热承载稳定性，同时实现轻量化。
69、以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种热稳定承载的支架结构拓扑优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S101中的所述初始化设置包括设置所述支架结构的材料参数、设置载荷工况和温度工况，并将所述设计变量初始化为用于间接表示结构的相对密度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述S103中，所述密度过滤函数为：
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述S105中，所述支架结构的所述弹性系数插值模型为：
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述S107中，所述传热矩阵为：
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述S109中，所述等效热载荷采用如下方式计算：
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述S111中，在所述静力学仿真计算中，静力学控制方程为：
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述S111中，所述支架结构的设计响应包括高温和低温两种情况下的所述支架结构的热柔度、最大位移和结构体积分数，
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述S115中，所述优化模型如下：
...【技术特征摘要】
1.一种热稳定承载的支架结构拓扑优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s101中的所述初始化设置包括设置所述支架结构的材料参数、设置载荷工况和温度工况，并将所述设计变量初始化为用于间接表示结构的相对密度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述s103中，所述密度过滤函数为：
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述s105中，所述支架结构的所述弹性系数插值模型为：
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述s107中，所述传热矩阵为：...
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