CN108921276A - 一种力流导向的装备轻量化仿生方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力流导向的装备轻量化仿生方法及系统。所述仿生方法包括：获取生物数据库；采用传力路径可视化方法确定待测结构的主传力路径；获取所述待测结构的实际工况特点以及功能特征；根据所述实际工况特点以及所述功能特征确定所述待测结构的实际承载类型；与所述实际承载类型相比，在所述生物数据库中确定高于相似度阈值的历史承载类型；获取所述历史承载类型所对应的仿生原型；将所述仿生原型的结构特征作为主干截面，建立仿生轻量化模型；根据所述仿生轻量化模型对所述待测结构进行仿生。采用本发明所提供的仿生方法及系统能够降低选取生物原型的工作量，提高仿生效率。

Description

一种力流导向的装备轻量化仿生方法及系统

技术领域

本发明涉及结构仿生设计领域，特别是涉及一种力流导向的装备轻量化仿生方法及系统。

背景技术

轻量化正成为航天航空、汽车等领域发展的必然趋势，轻量化设计不仅能够有效解决能源消耗和环境污染等问题，还能提高零部件的机动性和操作稳定性，具有较大的社会、经济价值。自然界生物经过亿万年的进化，形成了各种各样的性能优异、构造精炼的生物结构，如蜂窝、王莲、鱼骨等，均体现出优良的力学性能和轻质高效的特点，为人类解决装备轻量化提供了大量创造性的思路。因此，结构仿生设计已经成为一种新兴的现代设计方法。

目前常用的仿生设计方法是在充分了解工程结构的构型、工况特点基础上，选择与其在结构、功能、载荷、约束等方面具有高度相似性的生物原型，进而研究生物原型的结构特征，并总结其进化规律，将其移植到工程结构中，实现仿生轻量化设计，得到性能优异、结构新颖的产品。然而，工程结构往往存在功能、工况的复杂性，寻找具有相似特征的生物原型将产生巨大的工作量，甚至有些工程结构无法找到仿生原型，这在一定程度制约了仿生思想在结构设计中的应用，导致现有的装备轻量化仿生设计过程中选取生物原型的工作量大、难度高且效率低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种力流导向的装备轻量化仿生方法及系统，以解决现有的装备轻量化仿生设计过程中选取生物原型的工作量大、难度高且效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种力流导向的装备轻量化仿生方法，包括：

获取生物数据库；所述生物数据库包括各种结构的历史承载类型以及所述历史承载类型所对应的仿生原型；所述历史承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力；

采用传力路径可视化方法确定所述待测结构的主传力路径；所述主传力路径为应变能所对应的等值线的脊线；

获取所述待测结构的实际工况特点以及功能特征；所述实际工况特点为所述待测结构的运行状态，所述功能特征为所述待测结构的各部件的连接关系；

根据所述实际工况特点以及所述功能特征确定所述待测结构的实际承载类型；所述实际承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力；

与所述实际承载类型相比，在所述生物数据库中确定高于相似度阈值的历史承载类型；

获取所述历史承载类型所对应的仿生原型；

根据所述仿生原型确定结构特征；所述结构特征包括仿生原型的形状以及拓扑结构；

将所述的结构特征作为所述待测结构的主干截面，根据所述主传力路径建立仿生轻量化模型；

根据所述仿生轻量化模型对所述待测结构进行仿生。

可选的，所述采用传力路径可视化方法确定所述待测结构的主传力路径，具体包括：

对待测结构施加载荷以及边界条件，获取所述待测结构的受力参数；所述受力参数包括施加载荷的节点总数、受力节点被施加的力以及受力节点产生的位移；所述边界条件为所述待测结构与其它结构的连接状态；

根据所述受力参数确定所述待测结构的整体结构应变能；

根据所述应变能拟合所述待测结构的主传力路径。

可选的，所述根据所述受力参数确定所述待测结构的整体结构应变能，具体包括：

根据公式确定所述待测结构的整体结构应变能；

其中，n为施加载荷的节点总数，F_i为受力节点i被施加的力，d_i为受力节点i产生的位移，U为所述待测结构的整体结构应变能。

可选的，所述根据所述应变能拟合所述待测结构的主传力路径，具体包括：

保持原有载荷和边界条件不变，依次固定任意节点j，根据公式确定各节点的应变能系数；其中，U'_j为固定任意节点j后所述待测结构的整体结构应变能，i＝1,2,3…n,j∈i，d'_i为固定任意节点j后受力节点的位移；为节点j的应变能系数；

根据所述应变能系数拟合所述待测结构的主传力路径。

一种力流导向的装备轻量化仿生系统，包括：

生物数据库获取模块，用于获取生物数据库；所述生物数据库包括各种结构的历史承载类型以及所述历史承载类型所对应的仿生原型；所述历史承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力；

主传力路径确定模块，用于采用传力路径可视化方法确定所述待测结构的主传力路径；所述主传力路径为应变能所对应的等值线的脊线；

待测结构参数获取模块，用于获取所述待测结构的实际工况特点以及功能特征；所述实际工况特点为所述待测结构的运行状态，所述功能特征为所述待测结构的各部件的连接关系；

实际承载类型确定模块，用于根据所述实际工况特点以及所述功能特征确定所述待测结构的实际承载类型；所述实际承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力；

历史承载类型确定模块，用于与所述实际承载类型相比，在所述生物数据库中确定高于相似度阈值的历史承载类型；

仿生原型获取模块，用于获取所述历史承载类型所对应的仿生原型；

结构特征确定模块，用于根据所述仿生原型确定结构特征；所述结构特征包括仿生原型的形状以及拓扑结构；

仿生轻量化模型建立模块，用于将所述的结构特征作为所述待测结构的主干截面，根据所述主传力路径建立仿生轻量化模型；

仿生模块，用于根据所述仿生轻量化模型对所述待测结构进行仿生。

可选的，所述主传力路径确定模块具体包括：

受力参数获取单元，用于对待测结构施加载荷以及边界条件，获取所述待测结构的受力参数；所述受力参数包括施加载荷的节点总数、受力节点被施加的力以及受力节点产生的位移；所述边界条件为所述待测结构与其它结构的连接状态；

应变能确定单元，用于根据所述受力参数确定所述待测结构的整体结构应变能；

主传力路径确定单元，用于根据所述应变能拟合所述待测结构的主传力路径。

可选的，所述应变能确定单元具体包括：

应变能确定子单元，用于根据公式确定所述待测结构的整体结构应变能；

其中，n为施加载荷的节点总数，F_i为受力节点i被施加的力，d_i为受力节点i产生的位移，U为所述待测结构的整体结构应变能。

可选的，所述主传力路径确定单元具体包括：

应变能系数确定子单元，用于保持原有载荷和边界条件不变，依次固定任意节点j，根据公式确定各节点的应变能系数；其中，U'_j为固定任意节点j后所述待测结构的整体结构应变能，i＝1,2,3…n,j∈i，d'_i为固定任意节点j后受力节点的位移；为节点j的应变能系数；

主传力路径确定子单元，用于根据所述应变能系数拟合所述待测结构的主传力路径。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种力流导向的装备轻量化仿生方法及系统，通过传力路径可视化方法确定待测结构的主传力路径，并得到待测结构实际承载类型，只通过待测结构实际承载类型在生物数据库中找到高于相似度阈值的生物原型，在选择时，无需考虑结构、功能、载荷、约束等方面，从而大大降低了选取生物原型的工作量，在短时间内确定生物原型，并根据该生物原型建立仿生轻量化模型，大大提高了仿生效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的装备轻量化仿生方法流程图；

图2为本发明所提供的装备轻量化仿生方法的计算框图；

图3为本发明所提供的装备轻量化仿生系统结构图；

图4为本发明所提供的几何模型图；

图5为本发明所提供的包络体模型图；

图6为本发明所提供的上摆臂结构的传力路径图；

图7为本发明所提供的相似的仿生原型鱼骨图；

图8为本发明所提供的基于鱼骨仿生的轻量化模型；

图9为本发明所提供的位移分布云图，

图10为本发明所提供的应力分布云图；

图11为本发明所提供的位移分布云图；

图12为本发明所提供的应力分布云图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种力流导向的装备轻量化仿生方法及系统，能够降低选取生物原型的工作量，提高仿生效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的装备轻量化仿生方法流程图，如图1所示，一种力流导向的装备轻量化仿生方法，包括：

步骤101：获取生物数据库；所述生物数据库包括各种结构的历史承载类型以及所述历史承载类型所对应的仿生原型；所述历史承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力。

步骤102：采用传力路径可视化方法确定所述待测结构的主传力路径；所述主传力路径为所述应变能所对应的等值线的脊线。

分析结构的实际工况特点及功能特征，使用三维CAD软件建立结构包络体模型，导入有限元分析软件ANSYS中，施加载荷和边界条件，建立有限元模型，提交计算，完成静力分析，采用APDL语言读取受力节点的位移d_i，根据式(1)计算出整体结构的应变能U，

其中n为施加载荷的节点总数，F_i为受力节点i被施加的力，d_i为受力节点i产生的位移。

保持原有载荷和边界条件不变，依次固定任意节点j，提交计算，完成静力分析；读取此时受力节点的位移d'_i，根据式(2)计算出整体结构的应变能U'_j，其中n为施加载荷的节点总数，不断改变固定的节点号，直到所有节点都被依次固定，得到一组应变能值U'；

根据式(3)计算各节点的应变能系数将各节点的坐标及应变能系数值写入TXT或DAT格式文本中，载入TECPLOT中，显示应变能系数U^*云图及等值线，该等值线又称等刚度线，拟合出等值线的脊线，就是结构的主传力路径；

步骤103：获取所述待测结构的实际工况特点以及功能特征；所述实际工况特点为所述待测结构的运行状态，所述功能特征为所述待测结构的各部件的连接关系。

步骤104：根据所述实际工况特点以及所述功能特征确定所述待测结构的实际承载类型；所述实际承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力。

步骤105：与所述实际承载类型相比，在所述生物数据库中确定高于相似度阈值的历史承载类型。

步骤106：获取所述历史承载类型所对应的仿生原型。

步骤107：根据所述仿生原型确定结构特征；所述结构特征包括仿生原型的形状以及拓扑结构。

步骤108：将所述的结构特征作为所述待测结构的主干截面，根据主传力路径建立仿生轻量化模型。

步骤109：根据所述仿生轻量化模型对所述待测结构进行仿生。

图2为本发明所提供的装备轻量化仿生方法的计算框图，如图2所示，首先，建立实体结构的包络体模型，采用传力路径可视化方法获取仿生结构的主干；其次，将相似仿生原型结构特征作为主干截面，建立轻量化模型。

本发明采用传力路径可视化方法获取仿生结构的主干，将相似仿生原型结构特征作为主干截面，建立轻量化模型。该方法以力流为导向进行仿生轻量化设计，提供了一种新的仿生理念；本发明可以有效解决在现有仿生设计过程中寻找具有相似性的生物原型时存在工作量大、甚至有些工程结构无法找到仿生原型等问题，大幅提高仿生轻量化设计的效率。

图3为本发明所提供的装备轻量化仿生系统结构图，如图3所示，一种力流导向的装备轻量化仿生系统，包括：

生物数据库获取模块301，用于获取生物数据库；所述生物数据库包括各种结构的历史承载类型以及所述历史承载类型所对应的仿生原型；所述历史承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力。

主传力路径确定模块302，用于采用传力路径可视化方法确定所述待测结构的主传力路径；所述主传力路径为所述应变能所对应的等值线的脊线。

所述主传力路径确定模块302具体包括：受力参数获取单元，用于对待测结构施加载荷以及边界条件，获取所述待测结构的受力参数；所述受力参数包括施加载荷的节点总数、受力节点被施加的力以及受力节点产生的位移；所述边界条件为所述待测结构与其它结构的连接状态，例如：对待测结构施加约束的位置以及约束的自由度；应变能确定单元，用于根据所述受力参数确定所述待测结构的整体结构应变能；主传力路径确定单元，用于根据所述应变能拟合所述待测结构的主传力路径。

所述应变能确定单元具体包括：应变能确定子单元，用于根据公式确定的整体结构应变能；

其中，n为施加载荷的节点总数，F_i为受力节点i被施加的力，d_i为受力节点i产生的位移，U为所述待测结构的整体结构应变能。

所述主传力路径确定单元具体包括：应变能系数确定子单元，用于保持原有载荷和边界条件不变，依次固定任意节点j，根据公式确定各节点的应变能系数；其中，U'_j为固定任意节点j后所述待测结构的整体结构应变能，i＝1,2,3…n,j∈i，d'_i为固定任意节点j后受力节点的位移；为节点j的应变能系数；主传力路径确定子单元，用于根据所述应变能系数拟合所述待测结构的主传力路径。

待测结构参数获取模块303，用于获取所述待测结构的实际工况特点以及功能特征；所述实际工况特点为所述待测结构的运行状态，所述功能特征为所述待测结构的各部件的连接关系。

实际承载类型确定模块304，用于根据所述实际工况特点以及所述功能特征确定所述待测结构的实际承载类型；所述实际承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力。

历史承载类型确定模块305，用于与所述实际承载类型相比，在所述生物数据库中确定高于相似度阈值的历史承载类型。

仿生原型获取模块306，用于获取所述历史承载类型所对应的仿生原型。

结构特征确定模块307，用于根据所述仿生原型确定结构特征；所述结构特征包括仿生原型的形状以及拓扑结构。

仿生轻量化模型建立模块308，用于将所述的结构特征作为所述待测结构的主干截面，根据主传力路径建立仿生轻量化模型。

仿生模块309，用于根据所述仿生轻量化模型对所述待测结构进行仿生。

如图4所示，以汽车车轮转向系统的上摆臂为例，介绍本方法的具体实施步骤：

(1)如图5所示，分析上摆臂的实际工况特点及功能特征，使用三维CAD软件Solidworks建立其包络体模型，导入有限元分析软件ANSYS中，施加载荷和边界条件，建立有限元模型，提交计算，完成静力分析，采用APDL语言读取受力节点的位移d_i，根据式(1)计算出整体结构的应变能U：

其中n为施加载荷的节点总数，F_i为受力节点i被施加的力，d_i为受力节点i产生的位移。

(2)保持原有载荷和边界条件不变，依次固定任意节点j，提交计算，完成静力分析；读取此时受力节点的位移d'_i，根据式(2)计算出整体结构的应变能U'_j，其中n为施加载荷的节点总数，不断改变固定的节点号，直到所有节点都被依次固定，得到一组应变能值U'：

(3)根据式(3)计算步骤(2)的各节点的应变能系数将各节点的坐标及应变能系数值写入TXT或DAT格式文本中，载入TECPLOT中，显示应变能系数U^*云图及等值线，该等值线又称等刚度线，拟合出等值线的脊线，就是上摆臂包络体模型的主传力路径，如图6所示；

(4)将步骤(3)得到的主传力路径作为上摆臂仿生模型的主干，分析上摆臂的实际承载类型，主要为转向产生的拉伸力和弯矩。

(5)根据步骤(4)确定的结构主要承载类型，从Bio TRIZ网站上寻找具有相似性的生物案例：叶脉、鱼骨等，本实例以鱼骨为例，其结构特征如图7所示。

(6)将步骤(3)得到的主传力路径作为仿生结构的主干，将步骤(4)得到的仿生原型结构特征作为主干的截面，采用三维CAD软件建立基于鱼骨仿生的轻量化模型，如图8所示；将原模型和仿生模型导入ANSYS中进行有限元分析，图9-图10为原模型有限元分析结果图，其中，图9为本发明所提供的位移分布云图，图10为本发明所提供的应力分布云图，原模型位移云图、应力分布云图如图9-图10所示；图11-图12为仿生模型有限元分析结果图，其中，图11为本发明所提供的位移分布云图，图12为本发明所提供的应力分布云图，仿生模型位移云图、应力分布云图如图11-图12所示，表1优化前后力学性能指标对比表，如表1所示，通过本发明提供的方法，上摆臂减重46.7％，最大应力为25.62Mpa，远小于材料的屈服强度，最大位移为0.029mm，可以忽略不计，表明仿生轻量化效果明显。

表1

本发明提供了一种力流导向的仿生轻量化设计方法，首先采用传力路径可视化方法获取仿生结构的主干，然后从生物数据库中选择一种与结构实际承载特点相似的仿生原型，将相似仿生原型结构特征作为主干截面，建立仿生轻量化模型，根据所述仿生轻量化模型进行仿生；本发明以力流为导向进行仿生轻量化设计，提供了一种新的仿生理念，可以有效解决结构仿生设计过程中寻找具有相似性的生物原型时存在工作量大、甚至有些工程结构无法找到仿生原型的问题，可以大幅提高仿生轻量化设计的效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种力流导向的装备轻量化仿生方法，其特征在于，包括：

获取生物数据库；所述生物数据库包括各种结构的历史承载类型以及所述历史承载类型所对应的仿生原型；所述历史承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力；

采用传力路径可视化方法确定待测结构的主传力路径；所述主传力路径为应变能所对应的等值线的脊线；

获取所述待测结构的实际工况特点以及功能特征；所述实际工况特点为所述待测结构的运行状态，所述功能特征为所述待测结构的各部件的连接关系；

根据所述实际工况特点以及所述功能特征确定所述待测结构的实际承载类型；所述实际承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力；

与所述实际承载类型相比，在所述生物数据库中确定高于相似度阈值的历史承载类型；

获取所述历史承载类型所对应的仿生原型；

根据所述仿生原型确定结构特征；所述结构特征包括仿生原型的形状以及拓扑结构；

将所述的结构特征作为所述待测结构的主干截面，根据所述主传力路径建立仿生轻量化模型；

根据所述仿生轻量化模型对所述待测结构进行仿生。

2.根据权利要求1所述的装备轻量化仿生方法，其特征在于，所述采用传力路径可视化方法确定所述待测结构的主传力路径，具体包括：

对待测结构施加载荷以及边界条件，获取所述待测结构的受力参数；所述受力参数包括施加载荷的节点总数、受力节点被施加的力以及受力节点产生的位移；所述边界条件为所述待测结构与其它结构的连接状态；

根据所述受力参数确定所述待测结构的整体结构应变能；

根据所述应变能拟合所述待测结构的主传力路径。

3.根据权利要求2所述的装备轻量化仿生方法，其特征在于，所述根据所述受力参数确定所述待测结构的整体结构应变能，具体包括：

根据公式确定所述待测结构的整体结构应变能；

其中，n为施加载荷的节点总数，F_i为受力节点i被施加的力，d_i为受力节点i产生的位移，U为所述待测结构的整体结构应变能。

4.根据权利要求3所述的装备轻量化仿生方法，其特征在于，所述根据所述应变能拟合所述待测结构的主传力路径，具体包括：

保持原有载荷和边界条件不变，依次固定任意节点j，根据公式确定各节点的应变能系数；其中，U'_j为固定任意节点j后所述待测结构的整体结构应变能，i＝1,2,3…n,j∈i，d′_i为固定任意节点j后受力节点的位移；为节点j的应变能系数；

根据所述应变能系数拟合所述待测结构的主传力路径。

5.一种力流导向的装备轻量化仿生系统，其特征在于，包括：

生物数据库获取模块，用于获取生物数据库；所述生物数据库包括各种结构的历史承载类型以及所述历史承载类型所对应的仿生原型；所述历史承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力；

主传力路径确定模块，用于采用传力路径可视化方法确定所述待测结构的主传力路径；所述主传力路径为应变能所对应的等值线的脊线；

待测结构参数获取模块，用于获取所述待测结构的实际工况特点以及功能特征；所述实际工况特点为所述待测结构的运行状态，所述功能特征为所述待测结构的各部件的连接关系；

实际承载类型确定模块，用于根据所述实际工况特点以及所述功能特征确定所述待测结构的实际承载类型；所述实际承载类型包括受弯矩、拉伸力以及剪切力；

历史承载类型确定模块，用于与所述实际承载类型相比，在所述生物数据库中确定高于相似度阈值的历史承载类型；

仿生原型获取模块，用于获取所述历史承载类型所对应的仿生原型；

结构特征确定模块，用于根据所述仿生原型确定结构特征；所述结构特征包括仿生原型的形状以及拓扑结构；

仿生轻量化模型建立模块，用于将所述的结构特征作为所述待测结构的主干截面，根据所述主传力路径建立仿生轻量化模型；

仿生模块，用于根据所述仿生轻量化模型对所述待测结构进行仿生。

6.根据权利要求5所述的装备轻量化仿生方法，其特征在于，所述主传力路径确定模块具体包括：

受力参数获取单元，用于对待测结构施加载荷以及边界条件，获取所述待测结构的受力参数；所述受力参数包括施加载荷的节点总数、受力节点被施加的力以及受力节点产生的位移；所述边界条件为所述待测结构与其它结构的连接状态；

应变能确定单元，用于根据所述受力参数确定所述待测结构的整体结构应变能；

主传力路径确定单元，用于根据所述应变能拟合所述待测结构的主传力路径。

7.根据权利要求6所述的装备轻量化仿生方法，其特征在于，所述应变能确定单元具体包括：

应变能确定子单元，用于根据公式确定所述待测结构的整体结构应变能；

其中，n为施加载荷的节点总数，F_i为受力节点i被施加的力，d_i为受力节点i产生的位移，U为所述待测结构的整体结构应变能。

8.根据权利要求7所述的装备轻量化仿生系统，其特征在于，所述主传力路径确定单元具体包括：

应变能系数确定子单元，用于保持原有载荷和边界条件不变，依次固定任意节点j，根据公式确定各节点的应变能系数；其中，U'_j为固定任意节点j后所述待测结构的整体结构应变能，i＝1,2,3…n,j∈i，d′_i为固定任意节点j后受力节点的位移；为节点j的应变能系数；

主传力路径确定子单元，用于根据所述应变能系数拟合所述待测结构的主传力路径。