一种基于改进SIMP的零件结构拓扑优化方法及装置

一种基于改进simp的零件结构拓扑优化方法及装置
技术领域
1.本发明涉及结构优化和结构制造技术领域，特别涉及一种基于改进simp的零件结构拓扑优化方法，本技术一个或者多个实施例同时涉及基于改进simp的零件结构拓扑优化方法的装置，一种计算设备，以及一种计算机可读存储介质。


背景技术：

2.近年来，结构优化的方法逐渐进入人们的视野，对于结构的轻量化设计不仅可以有效的降低结构的重量，还可以提高结构的灵活性。特别是在航空航天领域，老式飞机结构设计往往从安全层面考虑，将飞机的结构设计的过于保守，这就导致了飞机的重量上升。飞机结构的减重不仅可以提高飞机的飞行距离，还会提高飞机的灵活性，与此同时飞机的燃油消耗率也会大大降低，带来的经济效益十分明显。拓扑优化作为一种新兴的结构轻量化方法，是在保证结构强度足够的前提下，对设计域内材料的分布进行寻优的设计方法。
3.目前，针对结构零件的优化，主要是基于有限元方法，通过分析单元结构的应力，来更新设计域内的材料分布情况。在不影响结构安全性能的前提下，将对结构贡献度小的单元删除，来达到对结构轻量化设计的目的。目前主要的结构优化方法包括simp、beso、mmc、水平集等方法。
4.目前应用较多的方法为simp方法，该方法具有易于理解、对网格敏感性小的优点。但是其优化后的结构存在大量的模糊单元，这些单元的取舍是一个问题，这些模糊网格影响着结构的准确性，所以后续许多研究致力于如何获得清晰准确的结构。其中，网格划分精度是一个至关重要的问题，边界的清晰程度与网格划分的疏密成正比，但随之而来的问题是计算时间。经验证，同一结构，在同种工况下网格数量由200*50变为400*100，即网格的数量变为原来的4倍，其运算时间会增加20倍，对于大型的复杂结构可能会更多。其次就是结构优化方法的可制造性差，由于经过优化后的结构往往多孔，这就给传统的制造方法带来了巨大的挑战。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于改进simp的零件结构拓扑优化方法及装置。
6.为此，本发明技术方案如下：
7.一种基于改进simp的零件结构拓扑优化方法，包括
8.加速simp算法，得到算法加速后的剩余安全裕度，为后续优化做准备；
9.离散化零件结构的模糊边界，对结构进行优化；
10.识别优化后的零件结构特征，并对其进行数字化提取和分类；
11.根据提取的数字化特征重构零件结构的边界。
12.进一步的，所述加速simp算法的方法具体包括
13.改变simp方法的终止条件，终止条件变为δc《＝0.001c1，
14.其中，δc为优化后目标函数改变量，即第i次目标函数ci与第i-1次目标函数ci-1
之差，c1为首次输入结构初始目标函数值，最终结束循环时输出的δc为剩余安全裕度。
15.进一步的，离散化零件结构的模糊边界具体包括
16.1)对剩余安全裕度δc进行合理分配，剩余安全裕度δc的表达式为：
[0017][0018]
其中，ke为单元的刚度矩阵且为常数矩阵，ue为单元的位移矩阵，ρe为单元的相对密度，ne为结构中可变单元的总个数，p为惩罚因子；
[0019]
2)根据式1)求出可变单元的平均可变相对密度将结构中处于变化状态的单元划分为四个梯度；
[0020]
3)计算每个梯度上的权重系数ωi，
[0021][0022]
其中，为处于该梯度中的单元总个数，ne为可变单元总数；
[0023]
4)将保存的剩余安全裕度δc按权重系数ωi分配至每个梯度，进行最后一次的结构单元更新。
[0024]
进一步的，识别零件结构特征，并对其进行数字化提取和分类具体包括
[0025]
a)将更新后的零件结构二进行值化处理，得到全体单元矩阵；
[0026]
b)通过过滤半径r，将连续的边界与不连续的边界区分开，获取全体单元矩阵中的连续曲线，并分段保存；
[0027]
c)判断曲线的类型，将封闭曲线与非封闭曲线分类，并标记保存；
[0028]
d)得到包含模型的全部数字化特征，保存为xls格式文件。
[0029]
获取全体单元矩阵中连续曲线的方法具体包括
[0030]
通过过滤半径r，将读取到的边界与已保存的边界左边的距离进行及计算并对比，存在超出过滤半径的，即为下一个孔洞边界的单元，以此区分，直至全部特征边界提取并分类完成为止，获得结构的数字化特征参数表。
[0031]
进一步的，判断曲线类型的具体方法包括
[0032]
将提取的参数特征表中的数据按照分段的曲线进行逐一判断；
[0033]
对每条曲线中的参数按照，第i行的元素从左到右排序，每行元素从上到下排序；
[0034]
判断i+1行的首行元素的x坐标是否小于第i行的首行元素的x坐标，若判断结果为“是”，进入下一步，否则判断为“非封闭曲线”；
[0035]
读取i+1行元素中的元素个数，判断该行中是否存在某个元素的x坐标大于第i元素中x坐标的最大值，若存在，判断该段曲线为封闭曲线并进行标记，直至所有曲线读取并判断完成为止；
[0036]
对分段好的曲线，进行最后的处理，按照顺时针方向排序得到完整有序的数字化模型参数。
[0037]
进一步的，重构零件结构边界的方法具体包括
[0038]
将获得的xls文件中数据坐标，在patran中对模型进行数字化模型重建。
[0039]
一种基于改进simp的零件结构拓扑优化的装置，包括：
[0040]
加速模块，用于加速simp算法，为后续优化提供剩余安全裕度；
[0041]
边界处理模块，通过加速模块计算所得的剩余安全裕度，对加速后的模型进行边界离散处理，目的是获得一个清晰稳定的结构，具体包括可变单元计数模块、梯度划分模块、权重系数计算模块和安全裕度分配模块；
[0042]
模型数字化模块，是将优化后的结构进行模型边界识别、分类、提取并将提取到的数字化特征保存的模块，具体包括边界识别模块、边界分类模块、排序模块、数字化保存模块；
[0043]
数字化模型重构模块，通过边界识别模块获得的边界坐标，将该坐标通过选定的拟合方法，将结构的边界重新绘制。
[0044]
一种计算机设备，包括
[0045]
存储器和处理器；
[0046]
所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，其中，所述处理器执行所述计算机可执行指令时实现上述基于改进simp的零件结构拓扑优化方法的步骤。
[0047]
一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述基于改进simp的零件结构拓扑优化方法的步骤。
[0048]
与现有技术相比，本发明提供的基于改进simp的零件结构拓扑优化方法及装置具有如下优势：
[0049]
1)本发明提出新的判敛条件，在保证小型结构稳定的前提下，缩短大型结构的优化时间，扩大simp方法的适用性；
[0050]
2)本发明提出新的加速算法，对于大型结构的优化计算可以节约一倍以上的计算时间，缩短生产周期；
[0051]
3)本发明中，对于模糊边界的离散化处理，有效的将无用单元删除，获得了相对清晰的边界；
[0052]
4)本发明将优化后的模型进行了数字化保存，数字化保存的模型可用于优化后结构的有效性验证，或结合有效的曲线拟合方法得到易于控制的制造路径，大大提高了优化后结构的可制造性。
附图说明
[0053]
图1为本发明提供的基于改进simp的零件结构拓扑优化方法的流程图。
[0054]
图2为经典simp方法效果图。
[0055]
图3为本发明提供的加速效果图。
[0056]
图4为本发明的集体实施对获取的边界曲线判断是否连续的示意图。
[0057]
图5为非封闭曲线示意图。
[0058]
图6为封闭曲线示意图。
[0059]
图7为本发明数字化模型应用实例。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
[0061]
本发明提供了一种基于改进simp的零件结构拓扑优化方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0062]
加速simp算法，得到算法加速后的剩余安全裕度，为后续优化做准备，需要进一步说明的是，将simp算法中的终止循环参数替换为δc《＝0.001c1，c1为结构初始的目标函数，优化后的参数条件适用性强，不仅适用于小型结构可以得到正确的结构，而且对于大型结构的计算，避免了结构后期优化迭代时间长，目标函数变化小结构变化不明显的缺陷，可以节省约50％的时间，大大缩短了时间成本；
[0063]
离散化零件结构的模糊边界，对结构进行优化；需要进一步说明的是，改进加速后的simp算法提前终止迭代，结构仍然处于安全状态下，提前跳出循环的可变目变函数即结构的剩余安全裕度，将剩余安全裕度保存，用来处理模糊边界；结构中大部分单元此时已经处于稳定状态，这些单元为稳定单元；结构中正处于变化状态的单元称为可变单元。
[0064]
首先，计算好可变单元上的可变单元密度，以此作为划分可变单元梯度的判断条件，剩余安全裕度δc的表达式为：
[0065][0066]
其中，ke为单元的刚度矩阵且为常数矩阵，ue为单元的位移矩阵，ρe为单元的相对密度，ne为结构中可变单元的总个数，p为惩罚因子；
[0067]
根据式1)求出可变单元的平均可变相对密度将结构中处于变化状态的单元划分为四个梯度；
[0068]
其次，根据公式计算每个梯度的权重系数ωi，并保存，
[0069][0070]
其中，为处于该梯度中的单元总个数，ne为可变单元总数；
[0071]
最后，将保存的剩余安全裕度δc按权重系数ωi分配至每个梯度，进行最后一次的结构单元更新。
[0072]
如图2-3所示，为经过加速算法与模糊边界处理后拓扑优化的结果对比图，可以发现，对于处于同种工况的同种结构，该加速算法的迭代次数为35次，而原simp算法的迭代次数为84次，效率提高了58％，模糊网格的数目从3762降低到2460，时间效率提高了59％。
[0073]
识别优化后的零件结构特征，并对其进行数字化提取和分类，具体包括识别零件结构特征，并对其进行数字化提取和分类具体包括
[0074]
a)将更新后的零件结构二进行值化处理，得到全体单元矩阵；
[0075]
b)通过过滤半径r，将连续的边界与不连续的边界区分开，获取全体单元矩阵中的连续曲线，并分段保存，通过过滤半径r，如图4所示，将读取到的边界与已保存的边界左边
的距离进行及计算并对比，存在超出过滤半径的，即为下一个孔洞边界的单元，以此区分，直至全部特征边界提取并分类完成为止，获得结构的数字化特征参数表；
[0076]
c)判断曲线的类型，如图5-6所示，将封闭曲线与非封闭曲线分类，并标记保存；判断曲线类型的具体方法包括
[0077]
将提取的参数特征表中的数据按照分段的曲线进行逐一判断；
[0078]
对每条曲线中的参数按照，第i行的元素从左到右排序，每行元素从上到下排序；
[0079]
判断i+1行的首行元素的x坐标是否小于第i行的首行元素的x坐标，若判断结果为“是”，进入下一步，否则判断为“非封闭曲线”；
[0080]
读取i+1行元素中的元素个数，判断该行中是否存在某个元素的x坐标大于第i元素中x坐标的最大值，若存在，判断该段曲线为封闭曲线并进行标记，直至所有曲线读取并判断完成为止；
[0081]
对分段好的曲线，进行最后的处理，按照顺时针方向排序得到完整有序的数字化模型参数。
[0082]
d)得到包含模型的全部数字化特征，保存为xls格式文件。
[0083]
根据提取的数字化特征重构零件结构的边界，结合需要建模的软件或任意符合需求的曲线拟合方法，对结构进行重构。在patran中对模型进行数字化模型重建，效果如图7所示，该坐标数据主要目的是提高结构的可制造性，使得几何边界获得可控的表达。
[0084]
一种基于改进simp的零件结构拓扑优化的装置，包括：加速模块、边界处理模块、模型数字化模块、数字化模型重构模块；
[0085]
所述加速模块用于加速simp算法，提高计算效率，并且为后续优化提供剩余安全裕度；
[0086]
所述边界处理模块用于对结构进行最终优化的模块，对模糊边界进行离散处理，包括可变单元计数模块、梯度划分模块、权重系数计算、安全裕度分配。通过加速模块计算所得的剩余安全裕度，对加速后的模型进行边界离散处理，目的是获得一个清晰稳定的结构；
[0087]
所述模型数字化模块，是将优化后的结构进行模型边界识别、分类、提取并将提取到的数字化特征保存的模块，包括边界识别模块、边界分类模块、排序模块、数字化保存模块；
[0088]
所述边界识别模块，为对优化后模型的边界进行判断，通过过滤半径r将不同孔洞、不同边界的模块进行识别，并且标记的模块；边界分类模块是通过将不同孔洞的边界，通过数字化特征进行判断并自动归类的模块；排序模块则是将归类好的边界按照顺时针顺序调整好的模块；数字化保存模块，是将已经识别处理归类的模块进行数字化输出的模块；
[0089]
所述数字化模型重构模块为对数字化的模型进行的模型重构，通过边界识别模块获得的边界坐标，将该坐标通过选定的拟合方法，将结构的边界重新绘制的方法。
[0090]
本技术的一实施例提供一种计算机设备，包括
[0091]
存储器和处理器；
[0092]
所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，其中，所述处理器执行所述计算机可执行指令时实现上述低压台区用户量测数据缺失修复方法的步骤。
[0093]
本技术的一实施例提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述低压台区用户量测数据缺失修复方法的步骤。
[0094]
上述为本实施例的一种计算机可读存储介质的示意性方案。需要说明的是，该存储介质的技术方案与上述的数据修复方法的技术方案属于同一构思，存储介质的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述数据修复方法的技术方案的描述。
[0095]
上述对本技术特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0096]
所述计算机指令包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0097]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术实施例，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本技术实施例所必须的。
[0098]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0099]
以上公开的本技术优选实施例只是用于帮助阐述本技术。可选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本技术实施例的内容，可作很多的修改和变化。本技术选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本技术实施例的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本技术。本技术仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。