CN104484527A - 一种离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法，包括以下步骤：建立基结构有限元模型；根据基结构承受的均布载荷工况，确定均布载荷作用区域，得到每个节点承受的均布载荷；输出基结构有限元模型数据文件；随机删除杆件生成多个新结构有限元模型；判断各个新结构有限元模型中均布载荷作用区域的各个节点所连接的杆件数目是否为零，如果是，则删除该节点，否则，保留节点；重新计算各个新结构有限元模型中均布载荷的分布；根据新结构中单元、节点以及均布载荷的信息，对基结构有限元模型数据文件进行修改；判断是否遍历所有均布载荷作用区域。本发明可广泛应用于离散结构拓扑优化过程中均布均布载荷自动动态的修改。
Description
技术领域
本发明涉及一种均布载荷自动动态修改方法，特别是关于一种离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法。
背景技术
离散结构拓扑优化是结构设计的初始阶段，能够显著提高结构的综合性能。目前，离散结构拓扑优化主要基于基结构方法。优化开始前，使用杆件连接优化空间中的节点以建立基结构。拓扑优化过程中，通过删除基结构中的杆件来生成新的结构形式，然后采用有限元方法分析新结构在给定载荷下的性能，这些性能是优化算法判别新结构好坏的依据。合理、恰当地处理结构承受的载荷是正确进行结构性能分析的关键性因素之一，对拓扑优化正确进行起重要作用。在优化过程中，往往要求加载处的节点不能被删除，该方法能够保证原定均布载荷在新生成的结构中有效传递。然而，当离散结构承受大面积的均布载荷时，该方法将极大地限制拓扑优化空间，从而导致获得的结构并非全局最优解。
在实际工程应用中，离散结构承受均布载荷的案例很多，比如承受地板均布载荷的客车骨架结构、承受行人均布载荷的桥梁结构、承受冰雪的屋顶结构等。在有限元仿真计算中，均布载荷被等效加载在作用区域的各个节点上，如果这些节点在优化过程中均不能被删除，则相当于给拓扑优化空间增加了一个约束，会导致获得的拓扑结构形式非常有限。为避免均布载荷加载方式对拓扑优化空间的约束，需要改变有均布载荷节点不可删除的要求，即需要将均布载荷重新施加到新的拓扑结构上。但是拓扑优化过程中每次迭代都将产生非常多的新结构，采用人工重新加载每个结构的均布载荷的方法不可行，因此需要一种可自动完成均布载荷重新加载的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种简单、快捷和程序可执行的离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法，包括以下步骤：1)建立基结构有限元模型：在有限元前处理软件中使用梁单元建立离散结构拓扑优化所需要的基结构有限元模型，建立的基建构有限元模型包括离散结构中所有可能存在的杆件单元，各杆件单元之间通过节点的耦合进行连接，并对基结构有限元模型中的所有杆件单元和节点进行编号；2)施加初始均布载荷：根据基结构真实承受的均布载荷工况，确定基结构有限元模型的均布载荷作用区域，进而得到均布载荷作用区域的每个节点承受的均布载荷；3)输出数据文件：从有限元前处理软件中输出求解器进行有限元分析时所需的基结构有限元模型数据文件；4)优化生成多个新结构：随机删除基结构中的杆件生成多个新结构有限元模型；5)识别各个新结构有限元模型中被删除的节点：判断各个新结构有限元模型中均布载荷作用区域的各个节点所连接的杆件数目是否为零，如果是，则删除该节点，否则，保留节点；6)重新计算各个新结构有限元模型中均布载荷的分布：确定各个新结构有限元模型均布载荷中均布载荷作用区域的节点数目，各个新结构承受的总均布载荷与基结构承受的总均布载荷相同，进而得到各个新结构有限元模型中均布载荷作用区域的每个节点承受的均布载荷；7)修改数据文件：根据各个新结构有限元模型中单元、节点以及均布载荷的信息，分别以步骤3)中的基结构有限元模型数据文件为原模型进行修改，获得各个新结构有限元模型的数据文件，求解器根据各个新结构有限元模型的数据文件对相应的新结构有限元模型进行有限元分析；8)判断是否遍历所有均布载荷作用区域：检查各个新结构有限元模型中是否所有均布载荷作用区域中的节点承受的均布载荷均已被修改，如果是，则修改结束，否则，返回步骤5)。
所述步骤2)中，假定所述均布载荷作用区域的节点数目为N，所述基结构承受的总均布载荷M，将基结构承受的总均布载荷M均匀施加在均布载荷作用区域的每个节点上，则均布载荷作用区域的每个节点承受的均布载荷m＝M/N；
所述步骤3)中，输出的基结构有限元模型数据文件通过特定卡片的形式储存有基结构有限元模型中单元、节点以及均布载荷信息。
所述步骤6)中，假设所述各个新结构有限元模型中均布载荷作用区域的节点数目为N′，将所述各个新结构承受的总均布载荷M均匀施加在各个新结构有限元模型中中均布载荷作用区域的每个节点上，则各个新结构有限元模型中中均布载荷作用区域的每个节点承受的均布载荷m′＝M/N′。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用有限元前处理软件建立基结构有限元模型以及输出基结构有限元模型的数据文件，因此可用于复杂结构的处理。2、本发明由于允许承受均布载荷的节点在拓扑优化的过程中被删除，取消了对拓扑优化空间的约束，因此在拓扑优化的过程中可以获得多种拓扑结构形式，最终得到最佳的结构。3、本发明由于在拓扑优化的过程中自动完成均布载荷重新计算，并根据各个新结构有限元模型中单元、节点以及均布载荷等信息，对有限元前处理软件中输出的基结构有限元模型数据文件进行修改生成各个新结构有限元模型对应的数据文件作为求解器对各个新结构有限元模型进行分析的依据，避免了人工重新加载每个结构的均布载荷，减少了人工操作。综上所述，本发明可以广泛应用于离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态的修改。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明实施例中承受地板均布载荷的框架结构的实物示意图；
图3是本发明实施例中框架结构的基结构有限元模型，其中，“─”表示基结构中的杆件，“○”表示基结构中的节点，“△”表示施加在基结构节点上的质量点单元；
图4是本发明实施例中新结构的有限元模型，“─”表示新结构中的杆件，“○”表示新结构中的节点，“△”表示施加在新结构节点上的质量点单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法，包括以下步骤：
1)建立基结构有限元模型：在有限元前处理软件中使用梁单元建立离散结构拓扑优化所需要的基结构有限元模型，建立的基结构有限元模型包括离散结构中所有可能存在的杆件单元，各杆件单元之间通过节点的耦合进行连接，并对基结构有限元模型中的所有杆件单元和节点进行编号。
2)施加初始均布载荷：根据基结构真实承受的均布载荷工况，确定基结构有限元模型的均布载荷作用区域。假设均布载荷作用区域的节点数目为N，基结构承受的总均布载荷为M，将基结构承受的总均布载荷M均匀施加在均布载荷作用区域的每个节点上，则均布载荷作用区域的每个节点承受的均布载荷m＝M/N。
3)输出数据文件：从有限元前处理软件中输出求解器进行有限元分析时所需的基结构有限元模型数据文件，该基结构有限元模型数据文件通过特定卡片的形式储存有基结构有限元模型中单元、节点以及均布载荷等全部信息。
4)优化生成多个新结构：随机删除基结构中的杆件生成多个新结构有限元模型。
5)识别各个新结构有限元模型中被删除的节点：判断各个新结构有限元模型中均布载荷作用区域的各个节点所连接的杆件数目是否为零，如果是，则删除该节点，否则，保留节点。
6)重新计算各个新结构有限元模型中均布载荷的分布：确定各个新结构有限元模型中均布载荷作用区域的节点数目，假设为N′，各个新结构承受的总均布载荷与基结构承受的总均布载荷相同，都为M；将各个新结构承受的总均布载荷M均匀施加在各个新结构有限元模型中均布载荷作用区域的每个节点上，则每个节点承受的均布载荷m′＝M/N′。
7)修改数据文件：根据各个新结构有限元模型中单元、节点以及均布载荷等信息，以步骤3)中的基结构有限元模型数据文件为原模板进行修改，获得各个新结构有限元模型的数据文件，求解器根据各个新结构有限元模型的数据文件对相应的新结构有限元模型进行有限元分析。
8)判断是否遍历所有均布载荷作用区域：检查各个新结构有限元模型中是否所有均布载荷作用区域中的节点承受的均布载荷均已被修改，如果是，则修改结束，否则，返回步骤5)。
实施例：
如图2所示，以采用质量点单元的形式将地板均布载荷施加到框架结构上为例，使用本发明方法对框架结构拓扑优化过程中产生的某一个新结构进行均布均布载荷自动动态修改，包括以下步骤：
1)建立框架结构的基结构有限元模型：在有限元前处理软件MSC.Patran中使用梁单元建立基结构有限元模型，如图3所示，基结构有限元模型的几何形态为一长方形，长方形两长边的中点连接将其分为两四边形；其中，长方形的四个顶点、长方形两长边的中点和两四边形的中心布置有基结构的8个节点；基结构的15根杆件分别位于两四边形的七条边和每个四边形的中点与其所在四边形顶点的连线处。对基结构有限元模型中的节点使用1～8进行编号，对基结构有限元模型中的杆件单元使用进行编号。
2)施加初始均布载荷：根据基结构真实承受的均布载荷工况可知，地板均布载荷作用在整个框架结构上，总均布载荷M为24kg，均布载荷作用区域的节点数目N为8，因此每个节点承受的均布载荷质量m＝M/N＝3kg。
3)输出数据文件：从有限元前处理软件MSC.Patran中输出求解器MSC.Nastran进行有限元分析时所需的基结构有限元模型数据文件，该基结构有限元模型数据文件通过特定卡片的形式储存有限元模型中单元、节点以及均布载荷等全部信息。储存质量点单元信息的卡片为CONM2，如表1所示，包含质量点单元编号(EID)、质量点单元作用的节点编号(G)以及质量点单元质量值(M)。
表1基结构中质量点单元信息
| CONM2 | EID | G | M |
| CONM2 | 20 | 1 | 3 |
| CONM2 | 21 | 2 | 3 |
| CONM2 | 22 | 3 | 3 |
| CONM2 | 23 | 4 | 3 |
| CONM2 | 24 | 5 | 3 |
| CONM2 | 25 | 6 | 3 |
| CONM2 | 26 | 7 | 3 |
| CONM2 | 27 | 8 | 3 |
4)优化生成新结构：基结构中位于每个四边形的中点与其所在四边形顶点的连线的杆件共8根杆件被删除，生成一个新结构，如图4所示。
5)识别新结构有限元模型中被删除的节点：判断新结构有限元模型中均布载荷作用区域的各个节点所连接的杆件数目是否为零，如果是，则删除该节点，否则，保留节点。
其中，在新结构有限元模型中，位于两四边形中心的节点，即节点7和节点8所连接的杆件为零，因此将节点7和节点8删除。
6)重新计算新结构有限元模型中均布载荷的分布：新结构中均布载荷作用区域的节点数目N′为6，新结构承受的总均布载荷与基结构承受的总均布载荷M相同，将新结构承受的总均布载荷M均匀施加在新结构有限元模型中均布载荷作用区域的每个节点上，每个节点承受的均布载荷m′＝M/N′＝4kg。
7)修改数据文件：根据新结构有限元模型中单元、节点以及均布载荷等信息，以步骤3)中有限元前处理软件MSC.Patran输出的基结构有限元模型数据文件为原模板进行修改，其中，被删除节点的均布载荷修改为0，修改后的储存质量点单元信息的卡片CONM2如表2所示。求解器根据新结构有限元模型的数据文件对新结构有限元模型进行有限元分析。
表2新结构中质量点单元信息
| CONM2 | EID | G | M |
| CONM2 | 20 | 1 | 4 |
| CONM2 | 21 | 2 | 4 |
| CONM2 | 22 | 3 | 4 |
| CONM2 | 23 | 4 | 4 |
| CONM2 | 24 | 5 | 4 |
| CONM2 | 25 | 6 | 4 |
| CONM2 | 26 | 7 | 0 |
| CONM2 | 27 | 8 | 0 |
8)判断是否遍历所有加载区域：检查新结构有限元模型中是否所有均布载荷作用区域中的节点承受的均布载荷均已被修改，如果是，则修改结束，否则，返回步骤5)。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (5)
1.一种离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法，包括以下步骤：
1)建立基结构有限元模型：在有限元前处理软件中使用梁单元建立离散结构拓扑优化所需要的基结构有限元模型，建立的基建构有限元模型包括离散结构中所有可能存在的杆件单元，各杆件单元之间通过节点的耦合进行连接，并对基结构有限元模型中的所有杆件单元和节点进行编号；
2)施加初始均布载荷：根据基结构真实承受的均布载荷工况，确定基结构有限元模型的均布载荷作用区域，进而得到均布载荷作用区域的每个节点承受的均布载荷；
3)输出数据文件：从有限元前处理软件中输出求解器进行有限元分析时所需的基结构有限元模型数据文件；
4)优化生成多个新结构：随机删除基结构中的杆件生成多个新结构有限元模型；
5)识别各个新结构有限元模型中被删除的节点：判断各个新结构有限元模型中均布载荷作用区域的各个节点所连接的杆件数目是否为零，如果是，则删除该节点，否则，保留节点；
6)重新计算各个新结构有限元模型中均布载荷的分布：确定各个新结构有限元模型均布载荷中均布载荷作用区域的节点数目，各个新结构承受的总均布载荷与基结构承受的总均布载荷相同，进而得到各个新结构有限元模型中均布载荷作用区域的每个节点承受的均布载荷；
7)修改数据文件：根据各个新结构有限元模型中单元、节点以及均布载荷的信息，分别以步骤3)中的基结构有限元模型数据文件为原模型进行修改，获得各个新结构有限元模型的数据文件，求解器根据各个新结构有限元模型的数据文件对相应的新结构有限元模型进行有限元分析；
8)判断是否遍历所有均布载荷作用区域：检查各个新结构有限元模型中是否所有均布载荷作用区域中的节点承受的均布载荷均已被修改，如果是，则修改结束，否则，返回步骤5)。
2.如权利要求1所述的一种离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法，其特征在于：所述步骤2)中，假定所述均布载荷作用区域的节点数目为N，所述基结构承受的总均布载荷M，将基结构承受的总均布载荷M均匀施加在均布载荷作用区域的每个节点上，则均布载荷作用区域的每个节点承受的均布载荷m＝M/N。
3.如权利要求1所述的一种离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法，其特征在于：所述步骤3)中，输出的基结构有限元模型数据文件通过特定卡片的形式储存有基结构有限元模型中单元、节点以及均布载荷信息。
4.如权利要求2所述的一种离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法，其特征在于：所述步骤3)中，输出的基结构有限元模型数据文件通过特定卡片的形式储存有基结构有限元模型中单元、节点以及均布载荷信息。
5.如权利要求1～4中任一项所述的一种离散结构拓扑优化过程中均布载荷自动动态修改方法，其特征在于：所述步骤6)中，假设所述各个新结构有限元模型中均布载荷作用区域的节点数目为N′，将所述各个新结构承受的总均布载荷M均匀施加在各个新结构有限元模型中中均布载荷作用区域的每个节点上，则各个新结构有限元模型中中均布载荷作用区域的每个节点承受的均布载荷m′＝M/N′。
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