基于密度惩罚法-移动可变形组件的拓扑优化方法和装置

本发明涉及拓扑优化，具体涉及一种基于密度惩罚法-移动可变形组件的拓扑优化方法和装置。

背景技术：

1、建筑结构优化设计技术通过调整结构构件布局可以尽可能地提高结构抵抗外力的性能，有着十分重要的应用价值。对于不同的具体工程，在不同的约束条件之下，可利用拓扑优化技术来对建筑物的不同形态进行探索。

2、simp固体各向同性材料惩罚模型是拓扑优化问题中常用的密度-刚度插值模型，适用于结合更复杂的非线性结构拓扑，用于提取构型，该模型假设材料密度在单元内为常数并以此为设计变量，材料特性用单元密度的指数函数来模拟，以简便计算，提高效率为目的。可移动变形组件mmc是一种开创性的显示表达拓扑优化方法，其利用超椭圆方程对组件形状进行描述，以组件形状参数为设计变量，然后利用数学规划法求解驱动组件移动、变形、融合等方式，最终得到最优拓扑构型。

3、然而，simp提取的构型容易存在棋盘格、边界锯齿化的问题，得到的构型边界不清晰。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于密度惩罚法-移动可变形组件的拓扑优化方法、装置、设备和存储介质。

2、根据本公开实施例的第一方面，提供了一种基于密度惩罚法-移动可变形组件的拓扑优化方法，包括：基于simp密度惩罚法，对待处理组件图像进行拓扑优化，得到组件结构特征；根据所述组件结构特征，通过预设骨架提取算法，得到simp骨架信息；根据所述simp骨架信息，得到杆件信息；根据所述杆件信息，得到mmc组件信息；基于mmc移动可变形组件的拓扑优化算法，根据所述mmc组件信息，得到组件拓扑构型。

3、进一步，其特征在于，所述根据所述组件结构特征，通过预设骨架提取算法，得到simp骨架信息包括：根据所述组件结构特征，得到组件结构特征二值图；针对所述组件结构特征二值图中的每一个单元，检测当前单元的8邻域的单元值；根据所述单元值确定所述8领域中的非骨架单元；从所述组件结构特征二值图中，剔除各所述非骨架单元，提取得到simp骨架信息。

4、进一步，其特征在于，所述得到杆件信息，包括：基于预设的判别模型，根据所述simp骨架信息，确定骨架节点；确定所述骨架节点中相邻两节点的间距；根据所述相邻两节点的间距，识别待合并节点，并合并所述待合并节点；基于线性插值，根据剩余的骨架节点，得到初始杆件图；根据所述初始杆件图，通过杆件判别，得到杆件信息。

5、进一步，其特征在于，所述根据所述初始杆件图，通过杆件判别，得到杆件信息，包括：在所述初始杆件图中确定杆件路径；基于预设邻域检测模型，确定所述杆件路径上的8邻域的单元值数据；根据所述杆件路径上的8邻域的单元值数据，得到实体单元总数与空洞单元总数的数值；根据所述实体单元总数与空洞单元总数的数值，得到杆件信息。

6、进一步，其特征在于，所述根据所述杆件信息，得到mmc组件信息，包括：根据所述杆件信息，得到杆件数据；其中，所述杆件数据包括杆件节点坐标和杆件两端点及中心点的半宽；基于超椭圆方程，根据所述杆件数据，得到mmc组件信息。

7、进一步，其特征在于，所述基于超椭圆方程，根据所述杆件数据，得到mmc组件信息，包括：根据所述杆件节点坐标，得到杆件中心点坐标；根据所述杆件节点坐标，得到杆件半长；根据所述杆件节点坐标和所述杆件半长，得到倾斜角正弦值；根据所述倾斜角正弦值，得到组件的旋转角度；根据所述组件的旋转角度、所述杆件中心点坐标和所述杆件节点坐标，得到杆件节点局部坐标；根据所述组件半长、所述杆件节点局部坐标和所述杆件两端点及中心点的半宽，得到组件描述值；根据所述组件半长、所述杆件节点局部坐标和所述组件描述值，基于超椭圆方程，得到拓扑描述函数；根据所述拓扑描述函数，得到mmc组件信息。

8、根据本公开实施例的第二方面，提供一种基于密度惩罚法-移动可变形组件的拓扑优化装置，包括：simp优化模块，用于基于simp密度惩罚法进行拓扑优化，得到组件结构特征；simp骨架信息获取模块，用于基于simp密度惩罚法，对待处理组件图像进行拓扑优化，得到组件结构特征；杆件信息获取模块，用于根据所述simp骨架信息，得到杆件信息；信息转化模块，用于根据所述杆件信息，得到mmc组件信息；mmc优化模块，用于基于mmc移动可变形组件的拓扑优化算法，根据所述mmc组件信息，得到组件拓扑构型。

9、根据本公开实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；处理器，用于从存储器中读取可执行指令，并执行指令以实现本公开第一方面所提供的一种基于密度惩罚法-移动可变形组件的拓扑优化方法。

10、根据本公开实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该程序指令被处理器执行时实现本公开第一方面所提供的一种基于密度惩罚法-移动可变形组件的拓扑优化方法的步骤。

11、本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

12、本申请利用simp法对待处理组件图像拓扑优化，然后通过骨架提取算法将simp方法的拓扑优化结果转化为simp骨架信息，将simp骨架信息转化为mmc组件信息，最后利用mmc方法进行拓扑优化，最终拓扑结果消除了simp棋盘格现象。此外simp法拓扑优化信息转换后使用mmc方法，方法迭代收敛较快。

技术特征：

1.一种密度惩罚法-移动可变形组件的拓扑优化方法，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，所述根据所述组件结构特征，通过预设骨架提取算法，得到simp骨架信息包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到杆件信息，包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述初始杆件图，通过杆件判别，得到杆件信息，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述杆件信息，得到mmc组件信息，包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于超椭圆方程，根据所述杆件数据，得到mmc组件信息，包括：

7.一种密度惩罚法-移动可变形组件的拓扑优化装置，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信息转化模块，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一种基于密度惩罚法-移动可变形组件的拓扑优化方法的步骤。

技术总结
本申请涉及一种密度惩罚法‑移动可变形组件的拓扑优化方法和装置。方法包括：基于SIMP密度惩罚法，对待处理组件图像进行拓扑优化，得到组件结构特征；根据所述组件结构特征，通过预设骨架提取算法，得到SIMP骨架信息；根据所述SIMP骨架信息，得到杆件信息；根据所述杆件信息，得到MMC组件信息；基于MMC移动可变形组件的拓扑优化算法，根据所述MMC组件信息，得到组件拓扑构型。本发明解决SIMP提取的构型容易存在棋盘格、边界锯齿化的问题，得到的构型边界不清晰的问题。

技术研发人员：徐安,郑凯谦,傅继阳,郭展鹏,赵若红,吴玖荣
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15