一种面向WAAM增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法

本申请涉及结构优化，具体而言，涉及一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法。

背景技术：

1、薄壁结构由于其具备承载效率高、重量轻以及空间性好等特点，被广泛应用于卫星、载人飞船、空间站等航天器的重要结构部件中，为了增强薄壁结构的承载能力，近几十年来众多专家学者通过多种方法来分析和增强薄壁结构的强度、刚度以及稳定性，并将薄壁加筋结构作为最有效和成本最低的结构形式之一。目前，薄壁加筋结构的拓扑优化方法主要有如下几种：第一种是，加强筋的形状和尺寸优化框架，用于对复杂的多功能飞机结构上的曲线型加筋板结构进行设计和优化；第二种是，采用模拟退火算法和遗传算法来优化曲线型格栅加筋复合板的蒙皮纤维和加强筋的曲线轨迹；第三种是，改进自适应形态发生算法，并将其与混合遗传算法和鲁棒优化算法结合，同时用于确定加筋板的最优几何形状。

2、然而，上述薄壁加筋结构的优化方法，通常是基于背景网格像素单元的隐式拓扑优化方法或者依赖于背景结构的生长类优化算法，存在设计变量多、工艺约束添加难度大以及特征尺寸难于控制的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请的目的在于提供一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，以解决现有薄壁加筋结构优化方法中，设计变量多、工艺约束添加难度大及特征尺寸难于控制的问题。

2、第一方面，本申请实施例提供了一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，包括：

3、在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，每个筋条组件用于描述一根薄壁加强筋的筋条；

4、针对每根筋条组件，确定该筋条组件对应的显式描述模型，显式描述模型包括筋条组件的几何参数；

5、在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，显式拓扑优化模型包括设计变量，设计变量包括各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数；

6、迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度；

7、当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。

8、可选地，确定该筋条组件对应的显式描述模型，包括：确定该筋条组件对应的骨架描述方程、中面描述方程以及外边界轮廓方程；由骨架描述方程、中面描述方程以及外边界轮廓方程共同组成该筋条组件对应的显式描述模型。

9、可选地，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，包括：将各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数确定为设计变量，并确定薄壁加筋结构对应的约束条件以及优化目标；基于设计变量以及约束条件构建约束函数，基于设计变量以及优化目标构建目标函数；由约束函数、目标函数以及显式描述模型构成显式拓扑优化模型。

10、可选地，迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度，包括：确定显式拓扑优化模型对应的灵敏度计算公式，灵敏度计算公式包括与目标函数对应的第一灵敏度公式以及与约束函数对应的第二灵敏度公式；将迭代调整后的各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值输入值第一灵敏度公式以及第二灵敏度公式，分别确定目标函数对应的第一灵敏度以及约束函数对应的第二灵敏度；由第一灵敏度以及第二灵敏度构成显式拓扑优化模型的灵敏度。

11、可选地，在当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果之后，还包括：在保证加筋结构连通性的前提下，从筋条组件中删除尺寸小于尺寸阈值的组件。

12、可选地，在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，包括：获取目标薄壁的薄壁尺寸；基于薄壁尺寸确定筋条组件的数量以及每个筋条组件的尺寸；根据初始结构约束，将多个筋条组件设置在目标薄壁对应的基底模型上。

13、可选地，当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果，包括：当灵敏度满足收敛条件时，对设计变量的取值进行有限元模型校核分析，确定设计变量的取值是否符合约束条件以及优化目标；若符合约束条件以及优化目标，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。

14、第二方面，本申请实施例还提供了一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计装置，所述装置包括：

15、组件设置模块，用于在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，每个筋条组件用于描述一根薄壁加强筋的筋条；

16、描述模型确定模块，用于针对每根筋条组件，确定该筋条组件对应的显式描述模型，显式描述模型包括筋条组件的几何参数；

17、优化模型确定模块，用于在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，显式拓扑优化模型包括设计变量，设计变量包括各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数；

18、灵敏度计算模块，用于迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度；

19、优化结果确定模块，用于当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。

20、本申请实施例带来了以下有益效果：

21、本申请实施例提供的一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，能够通过筋条组件的显式描述模型来对筋条的几何尺寸及位置进行描述，并在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，实现加筋结构的路径连通，通过调整驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数来调整加筋路径，并根据显式拓扑优化模型的灵敏度来确定迭代调整后的设计变量是否达到最优，从而实现薄壁加筋结构的拓扑优化，与现有技术中的薄壁加筋结构优化设计方法相比，解决了现有薄壁加筋结构优化方法中，设计变量多、工艺约束添加难度大及特征尺寸难于控制的问题。

22、为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

技术特征：

1.一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定该筋条组件对应的显式描述模型，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述迭代调整所述各个驱动节点的坐标以及所述几何参数的取值，确定不同取值下所述显式拓扑优化模型的灵敏度，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述当所述灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果之后，还包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果，包括：

8.一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计装置，其特征在于，包括：

技术总结
本申请提供了一种面向WAAM增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，该方法包括：在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件；针对每根筋条组件，确定该筋条组件对应的显式描述模型；在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型；迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度；当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。通过采用上述面向WAAM增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，解决了现有薄壁加筋结构优化方法中，设计变量多、工艺约束添加难度大及特征尺寸难于控制的问题。

技术研发人员：张啸雨,刘畅,曾惠忠,杜宗亮,张少辉,张维声,谭沧海,周浩,郭旭
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15