CN112836254B - 节点可动基结构的参数控制方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种节点可动基结构的参数控制方法、装置、设备和存储介质。该方法包括：获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数。本发明实施例实现了对基结构参数的有效控制或约束的效果。

Description

节点可动基结构的参数控制方法、装置、设备和存储介质

技术领域

本发明涉及力学结构技术领域，尤其涉及一种节点可动基结构的参数控制方法、装置、设备和存储介质。

背景技术

在于土木工程、汽车制造和航空航天工业等领域的重要结构部件中，常采用杆、梁、板壳等力学组件。以板壳结构为例，由于板壳结构具有承载效率高且质量轻的特性，其被广泛使用。为了增强板壳结构的承载力，在过去的几十年中，众多专家学者已经开发出了多种方法来分析和增强板壳结构的强度、刚度、稳定性等，在这些方法中，使用结构拓扑优化技术来设计板壳加筋结构是提高板壳结构力学性能的最有效、成本最低的方法之一。

目前工程以及学术界中通常使用隐式拓扑优化方法或固定基结构方法来确定承载结构中力学组件的最佳位置、方向以及形状。但使用隐式拓扑优化方法，对力学组件的几何描述依赖于隐式的结构的像素单元或节点，没有显式的几何信息，难以实现对力学组件参数的有效控制或约束，导致设计变量多、计算量大的问题。而利用固定基结构方法来设计承载结构，由于固定基结构中节点的位置无法移动，会使得设计空间较小，无法得到最优的力学组件分布。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提出了一种节点可动基结构的参数控制方法、装置、设备和存储介质。

第一方面，本发明实施例提供一种节点可动基结构的参数控制方法、装置、设备和存储介质，所述方法包括：

获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；

控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；

通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数。

第二方面，本发明实施例提供一种节点可动基结构的参数控制方法、装置、设备和存储介质，所述装置包括：

结构获取模块，用于获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；

组件控制模块，用于控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；

参数控制模块，用于通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数。

第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：

获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；

控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；

通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：

获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；

控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；

通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数。

本发明实施例通过获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数，解决了固定基结构难以实现对力学结构组件的参数有效控制或约束的问题，获得了对基结构参数的有效控制或约束的有益效果。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中节点可动基结构的参数控制方法的流程图；

图2为一个实施例中原始基结构的结构示意图；

图3为一个实施例中基结构组件的结构示意图；

图4为一个实施例中原始基结构中多个基结构组件的示意图；

图5为一个实施例中多个基结构组件之间小头的示意图；

图6为一个实施例中节点可动基结构的参数控制方法中步骤S130的具体流程图；

图7为一个实施例中弯曲的基结构组件的俯视示意图；

图8为一个实施例中节点可动基结构的参数控制方法中步骤S130的具体流程图；

图9为一个实施例中节点可动基结构的参数控制方法中步骤S130的具体流程图；

图10为一个实施例中节点可动基结构的参数控制方法中步骤S410的具体流程图；

图11为一个实施例中节点可动基结构的参数控制装置的结构框图；

图12为一个实施例中计算机设备的结构框图。

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作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。

如图1所示，在一个实施例中，提供了一种节点可动基结构的参数控制方法。该方法既可以应用于终端，也可以应用于服务器，本实施例以应用于终端举例说明。该节点可动基结构的参数控制方法具体包括如下步骤：

S110、获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点。

本实施例中，为了对节点可动基结构的参数进行控制，首先需要获取到原始基结构，原始基结构的节点可动，示例性的，原始基结构为加筋壳结构，一并参照图2，原始基结构10包括多个基结构组件20，即将每个基结构用组件来表示，一并参照图3，每个基结构组件包括位于基结构组件两端的第一节点P₁和第二节点P₂。

S120、控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接。

S130、通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数。

本实施例中，需要控制基结构组件之间通过第一节点和第二节点进行连接，一并参照图4，通过控制基结构组件之间通过第一节点和第二节点进行连接，那么通过调节第一节点和第二节点的位置，就可以控制基结构组件的几何参数，如此就可以很容易实现对节点可动基结构的参数有效控制或约束，并且避免了如图5所示的小头的出现，小头即多个基结构组件之间的交叉后产生的多余部分，会导致大大增加节点可动基结构优化的计算量。如果需要对该节点可动基结构进行优化，在节点变化的过程中，因节点的位置信息是已知的，可以大大减小节点可动基结构优化中计算量。

本发明实施例通过获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数，解决了固定基结构难以实现对节点可动基结构的参数有效控制或约束的问题，获得了对基结构参数的有效控制或约束的有益效果。

在一个实施例中，如图6所示，步骤S130具体可以为：

S210、通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何路径。

本实施例中，基结构组件的几何路径也可以表示为基结构组件的所处的位置，基结构组件的几何路径的表达式为：

其中

为第一节点的第一坐标，

为第二节点的第二坐标，u为引入的参数变量，u∈[0,1]。

当所述基结构组件为弯曲的基结构组件时，所述几何路径的表达式为：

一并参照图7，其中

为根据所述第一节点和第二节点之间引入的参考控制点的第三坐标。

在一个实施例中，如图8所示，步骤S130具体还可以为：

S310、通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的长度。

本实施例中，基结构组件的长度的表达式为：

其中

为所述第一节点的第一坐标，

为所述第二节点的第二坐标。

当所述基结构组件为弯曲的基结构组件时，所述长度的表达式为：

一并参照图7，其中

为根据所述第一节点和第二节点之间引入的参考控制点的第三坐标，u为引入的参数变量，u∈[0,1]。

在一个实施例中，如图9所示，步骤S130具体还可以为：

S410、获取所述基结构组件的目标几何路径参数，所述目标几何路径参数包括所述第一节点和第二节点的位置。

S420、根据所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数，得到优化后的目标基结构。

本实施例中，容易实现对节点可动基结构的参数有效控制或约束后，还可以对节点可动基结构进行优化，具体的，获取到基结构组件的目标几何路径参数，其中目标几何路径参数包括第一节点和第二节点的位置，目标几何路径参数可以为通过预设的优化方法得到的最终的优化结果参数，然后根据第一节点和第二节点的位置控制基结构组件的参数，就可以得到优化后的目标基结构。

本发明实施例通过获取所述基结构组件的目标几何路径参数，所述目标几何路径参数包括所述第一节点和第二节点的位置；根据所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的参数，得到优化后的目标结构，获得了减小节点可动基结构优化中计算量的有益效果。

在一个实施例中，如图10所示，步骤S410具体可以为：

S510、根据几何路径参数构建所述多个基结构组件的基结构模型，所述几何路径参数包括所述第一节点和第二节点的位置。

S520、对所述基结构模型划分网格后进行有限元分析，得到所述基结构模型的力学指标。

S530、从所述力学指标中获取目标优化参数。

本实施例中，在获取基结构组件的目标几何路径参数的过程中，具体可以为先根据几何路径参数构建多个基结构组件的基结构模型，即建立出每个基结构组件的三维模型，其中几何路径参数包括所述第一节点和第二节点的位置，然后对基结构模型划分网格后进行有限元分析，得到基结构模型的力学指标。具体的，为了更加逼近真实的基结构模型，使分析结果更准确，采用自适应网格技术划分网格，得到基结构模型的有限元网格模型，保证了结构的位移协调性，使得后续优化基结构组件时，网格也会随之改变，大大提高了有限元分析结果的准确性。

进一步的，对筋条模型划分网格后进行有限元分析，从有限元分析结果中获取到多个力学指标，因力学指标包括多个，需要从力学指标中获取用户想要对其进行优化的指标，其中力学指标包括基结构模型的结构频率、屈曲特征值和位移等等，示例性的，目标优化参数为基结构模型的结构柔度。

S540、构建优化列式，所述优化列式包括目标函数、约束函数、设计变量和优化目标，所述优化目标为所述目标函数的最值，所述目标函数的参数为所述设计变量，所述设计变量为所述几何路径参数，所述约束函数包括所述设计变量的取值范围约束。

S550、将所述优化列式输入至预设的优化求解器，得到更新的几何路径参数，进入根据几何路径参数构建所述多个基结构组件的基结构模型的步骤，直至所述目标函数收敛时，得到更新的目标几何路径参数。

本实施例中，获得目标优化参数和几何路径参数后，就可以构建出优化列式，其中以目标函数值最小为优化目标，目标函数的设计变量为几何路径参数。具体的，优化列式可以表示为：

Minimize I＝I(D)

s.t.

KU＝F,

g_j(D)≤0,j＝1,…,m,

其中，D为设计变量的总向量，

表示设计变量中基结构组件第一节点或第二节点的坐标，tⁱ,i＝1,…ns表示设计变量中基结构组件的的厚度；I为目标函数，此处为基结构模型的结构柔度；在约束函数中，K为基结构的有限元刚度阵，U是基结构的有限元节点位移，F是基结构的有限元节点力；

为设计变量D的所有可行解组成的设计空间，V_s是基结构组件的总体积，

为给定的基结构组件的体积上限，q_j(D),j＝1,…,m是设计变量的取值范围约束等。

作为优选的，还可以对基结构组件的厚度施加惩罚函数，以满足用户的设计需求，具体的，基结构组件的厚度t∈[t_l,t_u]，采用Heaviside函数惩罚，惩罚函数具体可以为：

t_p＝H(t-t_l)t；

其中，

式中，∈是控制表达式正则化程度的参数；α是一个小的正数，以确保有限元整体刚度矩阵的非奇异性。

本实施例中，构建完优化列式后，将相关优化参数输入至预设的优化求解器，就可以得到更新的几何路径参数，然后再进入步骤S510-步骤S550循环迭代，即重新构建基结构模型，划分网格进行有限元分析以获取目标优化参数，直至目标函数收敛，即目标函数的结果和上一次结果的差值小于预设值，将目标函数收敛时的几何路径参数作为目标几何路径参数，然后根据目标几何路径参数构建目标基结构模型，得到优化后的目标基结构。其中，预设的优化求解器可以是梯度优化求解器，也可以是是基于遗传算法、模拟退火算法或粒子群算法等算法的优化求解器，将优化列式输入至该优化求解器，该优化求解器就输出更新的几何路径参数。

作为优选的，预设的优化求解器为基于梯度类算法(例如MMA算法)的梯度优化求解器，则需要在每一次的优化迭代步骤中提供基结构模型的灵敏度信息，可以根据力学指标和几何路径参数确定筋条模型的灵敏度信息，最后将优化列式和灵敏度信息一起输入至预设的优化求解器，就可以得到优化后的更新的几何路径参数。其中灵敏度信息为目标函数I对设计变量D的导数，具体为：

当目标优化参数为结构柔度时，其中的f为基结构组件边界的应变能，v_n为基结构组件边界的演化项，v_n＝δS·n，其中δS为基结构组件边界的摄动项，n为基结构组件边界的法线方向，因第一坐标和第一坐标可以表示出基结构组件的几何路径，通过基结构组件的几何路径和其他参数就可以得到灵敏度信息。

本发明实施例通过使用基于梯度类算法的梯度优化求解器，在每次迭代优化的步骤中加入了基结构模型的灵敏度信息，大大提高了对节点可动基结构的优化效果。

如图11所示，在一个实施例中，提供了一种节点可动基结构的参数控制装置，该实施例提供的节点可动基结构的参数控制装置可执行本发明任意实施例所提供的节点可动基结构的参数控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。该节点可动基结构的参数控制装置包括结构获取模块100、组件控制模块200和参数控制模块300。

具体的，结构获取模块100用于获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；组件控制模块200用于控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；参数控制模块300用于通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数。

在一个实施例中，参数控制模块300具体用于通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何路径，所述几何路径的表达式为：

其中

为所述第一节点的第一坐标，

为所述第二节点的第二坐标，u为引入的参数变量，u∈[0,1]。

在一个实施例中，当所述基结构组件为弯曲的基结构组件时，所述几何路径的表达式为：

其中

为根据所述第一节点和第二节点之间引入的参考控制点的第三坐标。

在一个实施例中，参数控制模块300具体用于通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的长度，所述长度的表达式为：

其中

为所述第一节点的第一坐标，

为所述第二节点的第二坐标。

在一个实施例中，当所述基结构组件为弯曲的基结构组件时，所述长度的表达式为：

其中

为根据所述第一节点和第二节点之间引入的参考控制点的第三坐标，u为引入的参数变量，u∈[0,1]。

在一个实施例中，参数控制模块300具体还用于获取所述基结构组件的目标几何路径参数，所述目标几何路径参数包括所述第一节点和第二节点的位置；根据所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的参数，得到优化后的目标基结构。

在一个实施例中，参数控制模块300具体还用于根据几何路径参数构建所述多个基结构组件的基结构模型，所述几何路径参数包括所述第一节点和第二节点的位置；对所述基结构模型划分网格后进行有限元分析，得到所述基结构模型的力学指标；从所述力学指标中获取目标优化参数；构建优化列式，所述优化列式包括目标函数、约束函数、设计变量和优化目标，所述优化目标为所述目标函数的最值，所述目标函数的参数为所述设计变量，所述设计变量为所述几何路径参数，所述约束函数包括所述设计变量的取值范围约束；将所述优化列式输入至预设的优化求解器，得到更新的几何路径参数，进入根据几何路径参数构建所述多个基结构组件的基结构模型的步骤，直至所述目标函数收敛时，得到更新的目标几何路径参数。

图12示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备具体可以是终端，也可以是服务器。如图12所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现节点可动基结构的参数控制方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行节点可动基结构的参数控制方法。本领域技术人员可以理解，图12中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：

获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；

控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；

通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数。

在一个实施例中，提出了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：

获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；

控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；

通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种节点可动基结构的参数控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；

控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；

通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数；

所述通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数：

通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何路径，所述几何路径的表达式为：

其中

为所述第一节点的坐标，

为所述第二节点的坐标，u为引入的参数变量，u∈[0,1]。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述基结构组件为弯曲的基结构组件时，所述几何路径的表达式为：

其中

为根据所述第一节点和第二节点之间引入的参考控制点的第三坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数包括：

通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的长度，所述长度的表达式为：

其中

为所述第一节点的坐标，

为所述第二节点的坐标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述基结构组件为弯曲的基结构组件时，所述长度的表达式为：

其中

为根据所述第一节点和第二节点之间引入的参考控制点的第三坐标，u为引入的参数变量，u∈[0,1]。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数包括：

获取所述基结构组件的目标几何路径参数，所述目标几何路径参数包括所述第一节点和第二节点的位置；

根据所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的参数，得到优化后的目标基结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述获取所述基结构组件的目标几何路径参数包括：

根据几何路径参数构建所述多个基结构组件的基结构模型，所述几何路径参数包括所述第一节点和第二节点的位置；

对所述基结构模型划分网格后进行有限元分析，得到所述基结构模型的力学指标；

从所述力学指标中获取目标优化参数；

构建优化列式，所述优化列式包括目标函数、约束函数、设计变量和优化目标，所述优化目标为所述目标函数的最值，所述目标函数的参数为所述设计变量，所述设计变量为所述几何路径参数，所述约束函数包括所述设计变量的取值范围约束；

将所述优化列式输入至预设的优化求解器，得到更新的几何路径参数，进入根据几何路径参数构建所述多个基结构组件的基结构模型的步骤，直至所述目标函数收敛时，得到更新的目标几何路径参数。

7.一种节点可动基结构的参数控制装置，其特征在于，所述装置包括：

结构获取模块，用于获取原始基结构，所述原始基结构包括多个基结构组件，每个所述基结构组件包括位于所述基结构组件两端的第一节点和第二节点；

组件控制模块，用于控制所述基结构组件之间通过所述第一节点和第二节点进行连接；

参数控制模块，用于通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数；

所述通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何参数：

通过调节所述第一节点和第二节点的位置控制所述基结构组件的几何路径，所述几何路径的表达式为：

其中

为所述第一节点的坐标，

为所述第二节点的坐标，u为引入的参数变量，u∈[0,1]。

8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

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