一种金属结构优化设计方法与流程

本发明涉及计算机仿真技术领域，尤其涉及一种金属结构优化设计方法。

背景技术：

产品研制中，为了满足重量、强度、刚度要求，降低研制风险，优化设计广泛用于其结构设计阶段。优化设计中，设计变量的定义，约束方程的创建是整个优化过程中最关键的过程。

金属壁板结构广泛用于航空航天结构，由于其结构特点，强度、刚度、稳定性约束众多。前处理耗时费力，而且很难保证准确性，影响优化分析效率。

当前金属结构优化设计方法中仍存在以下问题：优化对象只适用于薄壁板或加劲板结构，同时可考虑的响应约束还不够多，一定程度上会影响优化方法的效率。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种高效、快速的金属结构优化设计方法。

本发明实施例提供的一种金属结构优化设计方法，该方法包括：

1)定义设计变量；

2)定义响应约束；

3)定义目标函数；

4)输出优化求解文件，所述优化的求解文件中包含优化数学模型；

5)提交优化求解器计算求解上述数学模型；

6)优化求解完成后，判断优化定义的约束不等式方程均是否成立；

7)如是，则提取优化结果，优化完成；如否，则调整设计变量及响应约束，重新开始步骤一的操作。

进一步地，上述方法中，所述设计变量有两种类型，一维单元设计变量和二维单元设计变量。

进一步地，上述方法中，所述一维单元设计变量包含不同的截面类型，截面类型包括但不限于：工字型截面、t字型截面、l字型截面和j字型截面。

进一步地，上述方法中，所述设计变量定义流程包括：

第一步，定义一维单元截面尺寸设计变量和定义二维单元截面尺寸设计变量；

第二步，定义一维单元截面尺寸设计变量后，还包括：

1)选择截面类型；

2)获取截面尺寸参数；

3)定义参数设计变量尺寸；

4)选择结构单元；

5)进行结构单元循环，创建设计变量文件；

6)创建截面面积响应；

7)将截面面积响应与结构单元属性相关联；

8)输出设计变量文件；

9)完成设计变量的定义；

第三步，定义二维单元截面尺寸设计变量后，还包括：

1)定义厚度设计变量尺寸；

2)选择结构单元；

3)进行结构单元循环；

4)获取二维单元结构厚度；

5)创建厚度设计变量文件；

6)将厚度设计变量与结构单元属性相关联；

7)输出设计变量文件；

8)完成设计变量的定义；

第四步，定义一维单元截面尺寸设计变量后，还包括：

1)定义截面积设计变量尺寸；

2)选择结构单元；

3)进行结构单元循环；

4)获取一维单元截面截面积；

5)创建截面设计变量文件；

6)将截面积设计变量与结构单元属性相关联；

7)输出设计变量文件；

8)完成设计变量的定义。

进一步地，上述方法中，所述响应约束包含强度约束、弹性稳定性响应约束和刚度约束。

进一步地，上述方法中，所述强度约束，是指对结构单元的应力约束。

进一步地，上述方法中，所述弹性稳定性响应约束包括：一维单元弹性稳定性响应约束，二维单元稳定性响应约束，加劲板稳定性响应约束以及壁板剪切后屈曲稳定性响应约束。

进一步地，上述方法中，所述刚度约束包含ei/gi设计响应、扭转角设计响应和位移设计响应。

进一步地，上述方法中，所述响应约束定义流程如下：

1)选择约束类型；

2)选择工程方法；

3)输入工程参数系统；

4)选择结构单元；

5)判断结构单元是否定义设计变量；

6)如是，则继续进行下一步操作；如否，则不创建响应约束；

7)获取结构单元尺寸信息、材料信息和载荷信息；

8)创建响应约束；

9)输出响应约束文件；

10)完成响应约束的定义。

进一步地，上述方法中，所述提取优化结果，包括设计变量优化结果的提取和响应约束结果的提取。

进一步地，上述方法中，所述设计变量优化结果的提取流程如下：

1)选择优化结果输出文件；

2)选择结构单元；

3)获取结构单元设计变量id号；

4)判断设计变量id号是否存在，如是，则继续进行下一步操作；如否，则不输出；

5)获取设计变量值；

6)输出设计变量结果。

进一步地，上述方法中，所述响应约束优化结果的提取流程如下：

1)选择优化结果输出文件；

2)选择结构单元；

3)获取结构单元设计变量id号；

4)判断设计变量id号是否存在，如是，则继续进行下一步操作；如否，则不输出；

5)获取响应约束值；

6)获取响应约束值上下限；

7)计算响应约束安全系数；

8)输出响应约束结果。

与现有技术相比，本发明金属结构优化设计方法，包括定义设计变量；定义响应约束；定义目标函数；输出优化求解文件；提交优化求解器计算；判断是否满足约束条件；如是，则提取优化结果，优化完成；如否，则调整设计变量及响应约束，重新开始步骤一的操作。本发明可以对二维单元蒙皮厚度、框、梁及长桁等一维单元的截面尺寸等进行尺寸优化，考虑位移、应力、应变、稳定性、截面刚度、面积比、工艺约束等设计要求，自动生成求解文件，提交optistruct或nastran求解器进行优化计算，并对优化结果进行快速后处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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为本发明提供的一种金属结构优化设计方法流程图；

图2为本发明提供的设计变量定义流程示意图

图3为本发明提供的响应约束定义流程示意图；

图4为本发明提供的设计变量提取流程示意图；

图5为本发明提供的响应约束结果输出流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明主要通过python语言开发，基于vtk开发3d图形引擎，基于wxpython开发图形界面，实现金属结构优化设计。

下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本发明实施例公开了一种金属结构优化设计方法，该方法包括：

1)定义设计变量；

2)定义响应约束；

3)定义目标函数；

本发明实施中，目标函数是要求最优的设计性能，在本方法中，将优化区域的统计重量最小作为优化方法的目标。

4)输出优化求解文件；

优化的求解文件中，包含的信息可描述为以下优化数学模型：

目标：f(x)＝f(x1,x2,···，xn)；

约束：g(x)≤0j＝1，···，m；

设计变量：xi^l≤xi≤xi^ui＝1，··，n。

5)提交优化求解器计算求解上述数学模型；

6)优化求解完成后，判断优化定义的约束不等式方程均是否成立；

7)如是，则提取优化结果，优化完成；如否，则调整设计变量及响应约束，重新开始步骤一的操作。

优选地，本发明可选择optistruct或nastran求解器进行优化求解。

进一步地，上述方法中，所述设计变量有两种类型，一维单元设计变量和二维单元设计变量。

进一步地，上述方法中，所述一维单元设计变量包含不同的截面类型，截面类型包括但不限于：工字型截面、t字型截面、l字型截面和j字型截面。

实施中，本发明实施例对于一维设计变量，包含了工程中常用的截面类型，考虑多种截面型式，可适用于不同结构，增强通用性，缘条和腹板厚度是否定义相等由用户自行选择，同样增强通用性，适用于各种定义方式。

进一步地，如图2所示，所述设计变量定义流程包括：

第一步，定义一维单元截面尺寸设计变量和定义二维单元截面尺寸设计变量；

第二步，定义一维单元截面尺寸设计变量后，还包括：

1)选择截面类型；

2)获取截面尺寸参数；

3)定义参数设计变量尺寸(初始值、上限、下限)；

4)选择结构单元；

5)进行结构单元循环，创建设计变量文件；

6)创建截面面积响应；

7)将截面面积响应与结构单元属性相关联；

8)输出设计变量文件；

9)完成设计变量的定义；

第三步，定义二维单元截面尺寸设计变量后，还包括：

1)定义厚度设计变量尺寸(上限、下限)；

2)选择结构单元；

3)进行结构单元循环；

4)获取二维单元结构厚度；

5)创建厚度设计变量文件；

6)将厚度设计变量与结构单元属性相关联；

7)输出设计变量文件；

8)完成设计变量的定义；

第四步，定义一维单元截面尺寸设计变量后，还包括：

1)定义截面积设计变量尺寸(上限、下限)；

2)选择结构单元；

3)进行结构单元循环；

4)获取一维单元截面截面积；

5)创建截面设计变量文件；

6)将截面积设计变量与结构单元属性相关联；

7)输出设计变量文件；

8)完成设计变量的定义。

进一步地，上述方法中，所述响应约束包含强度约束、弹性稳定性响应约束和刚度约束。

进一步地，上述方法中，所述强度约束，是指对结构单元的应力约束。

本发明实施例强度约束主要针对的是结构单元的应力约束，其中一维单元主要考虑轴向应力，二维单元主要综合应力、x方向应力、y方向应力、最大主应力、最小主应力。

进一步地，上述方法中，所述弹性稳定性响应约束包括：一维单元弹性稳定性响应约束，二维单元稳定性响应约束，加劲板稳定性响应约束以及壁板剪切后屈曲稳定性响应约束。

进一步地，上述方法中，所述刚度约束包含ei/gi设计响应、扭转角设计响应和位移设计响应。

需要说明的是，上述约束都是基于工程方法实现，用户可以进行自由组合。

进一步地，如图3所示，所述响应约束定义流程如下：

1)选择约束类型；

2)选择工程方法；

3)输入工程参数系统；

4)选择结构单元；

5)判断结构单元是否定义设计变量；

6)如是，则继续进行下一步操作；如否，则不创建响应约束；

7)获取结构单元尺寸信息、材料信息和载荷信息；

8)创建响应约束；

9)输出响应约束文件；

10)完成响应约束的定义。

实施中，优化完成后，从优化结果输出文件中提取优化结果，包括设计变量优化结果的提取和响应约束结果的提取。

进一步地，如图4所示，所述设计变量优化结果的提取流程如下：

1)选择优化结果输出文件；

2)选择结构单元；

3)获取结构单元设计变量id号；

4)判断设计变量id号是否存在，如是，则继续进行下一步操作；如否，则不输出；

5)获取设计变量值；

6)输出设计变量结果。

进一步地，如图5所示，所述响应约束优化结果的提取流程如下：

1)选择优化结果输出文件；

2)选择结构单元；

3)获取结构单元设计变量id号；

4)判断设计变量id号是否存在，如是，则继续进行下一步操作；如否，则不输出；

5)获取响应约束值；

6)获取响应约束值上下限；

7)计算响应约束安全系数；

8)输出响应约束结果。

综上，本发明实施例金属结构优化设计方法主要通过python语言开发，基于vtk开发3d图形引擎，基于wxpython开发图形界面，可以对二维单元蒙皮厚度、框、梁及长桁等一维单元的截面尺寸等进行尺寸优化，考虑位移、应力、应变、稳定性、截面刚度、面积比、工艺约束等设计要求，自动生成求解文件，提交optistruct或nastran求解器进行优化计算，并对优化结果进行快速后处理。本发明实施例提高了金属结构优化前处理效率，缩短了研发周期。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。