一种基于智能交互的结构设计分析优化一体化方法及系统

本发明涉及结构设计优化，具体涉及一种基于智能交互的结构设计分析优化一体化方法及系统。

背景技术：

1、随着智能制造的不断发展，传统的结构设计方法已不能满足高端制造业的设计需求，设计周期短、自动化程度高的先进产品结构设计方法，是实现智能制造、互联互通，提升产品结构性能的重要途径；而现有结构设计技术往往采用cad建模、cae分析、结构优化、模型重构等设计流程，其中cad模型无法直接进行cae分析，需进行繁琐的模型转化，且设计师需全程参与设计操作，人工、时间成本较高。因此，亟需一种能够在产品智能制造等方面实现智能交互，实现智能、高效的结构设计分析优化一体化的技术方案以满足目前高端制造业的设计需求。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种基于智能交互的结构设计分析优化一体化方法及系统，本发明运用nlp算法对设计人员提供的输入信息进行关键词拾取，并借助人机交互实现必要信息的补充完善，通过调用程序命令库，将上述信息导入一体化设计系统，生成优化程序，进而开展结构建模、分析和优化的一体化设计，其中基于nurbs增强的四叉树/八叉树等几何比例边界有限元方法可用于结构的分析和优化，本发明解决了传统结构设计流程中，对设计人员专业化要求高、系统智能化程度低等问题，同时本发明具有操作简便、处理时间短和智能化程度高等特点。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种基于智能交互的结构设计分析优化一体化方法，包括下述步骤：

4、获取设计人员的语音输入内容或文本输入内容；

5、基于语音识别将语音输入内容转换成文本信息；

6、基于nlp算法对文本信息进行语义识别，得到语义信息；

7、构建结构设计的关键词命令库、结构设计的关键参数命令库、结构分析的重要信息命令库作为nlp算法训练的语料库；

8、将语义信息与语料库进行对比，提取得到语义信息中的结构设计的关键词、结构设计的关键参数及结构分析的重要信息；

9、基于预设的结构设计分析优化所需参数，判断提取出的语义信息是否缺失或修改结构设计分析优化所需参数，若判定为缺失或修改参数，则存储当前已识别的信息，返回补充所缺失的信息或者修改已识别的信息，若判定为未缺失或未修改参数，则生成优化程序；

10、所述优化程序包括：确定优化方式、设计域、设计目标、约束条件以及结构设计分析优化所需参数，构建拓扑优化模型，基于有限元方法进行数值求解，进行灵敏度分析并基于过滤方法抑制数值不稳定现象，对设计变量进行迭代更新，直至满足收敛条件后输出最优材料分布方案；

11、根据所获取的语义信息中优化方式、设计目标和约束条件匹配对应的优化程序，同时将语义信息中的参数数据分别填入优化程序，生成可执行程序；

12、进行cad系统自动化建模，进行网格划分，并采用等几何比例边界有限元进行结构性能分析，调用设计目标所对应的优化程序进行拓扑优化，当满足拓扑优化收敛条件时，对拓扑结构进行光滑处理并输出优化后的拓扑结构。

13、作为优选的技术方案，结构设计的关键词命令库包括：设计目标、载荷条件、约束条件；

14、结构设计的关键参数命令库包括：材料的弹性模量或杨氏模量、泊松比、密度、传热系数、热弹性矩阵、流体粘度、应力；

15、结构分析的重要信息命令库包括静力学分析、动力学分析、热力学分析、散热分析、热传导分析、流体分析。

16、作为优选的技术方案，所述设计目标包括：最小柔度、最大刚度、结构柔度、最小散热弱度等；边界条件包括：上/下/左/右边界完全固定、上/下/左/右边界仅固定x方向或y方向或z方向、约束某端点、约束某特征点、绝缘边界；

17、所述载荷条件包括：力、压力、载荷、热载荷、热源、流速大小；

18、约束条件包括：体积分数、应力约束、振动频率约束、位移约束。

19、作为优选的技术方案，所述返回补充所缺失的信息或者修改已识别的信息，通过调用缺省值以及nlp语义识别判断，补充所缺失的信息；

20、在cad建模中，判断模型是否是完全定义；在等几何静力学分析中，判断材料属性、边界条件、载荷条件是否全部给出；在等几何拓扑优化中，判断设计域、目标函数、约束条件是否给定。

21、作为优选的技术方案，所述优化方式包括：拓扑优化、形状优化、尺寸优化；

22、所述设计目标包括：结构柔度最小、质量最轻、体积最小、散热弱度最小、耗能最小和多目标耦合；

23、所述约束条件包括：体积约束、位移约束、应力约束、温度约束和多约束。

24、作为优选的技术方案，cad系统自动化建模采用等几何样条构建样条边界表达模型，所述等几何样条包括nurbs、t样条、b样条；

25、所述网格划分采用样条基函数进行网格划分，或采用四叉树/八叉树网格进行网格划分。

26、作为优选的技术方案，进行cad系统自动化建模，进行网格划分，并采用等几何比例边界有限元进行结构性能分析，调用设计目标所对应的优化程序进行拓扑优化，具体包括：

27、使用nurbs建立结构模型，基于四叉树分解技术进行网格划分，设计域内部的单元采用刚度矩阵预先存储，对于nurbs边界上的单元，根据nurbs曲线与四叉树网格的交点坐标，通过物理点信息进行点的反求，获取交点对应的节点向量，通过节点插入获取新的nurbs曲线，nurbs曲线与四叉树网格交点位置处均分布重构后nurbs曲线的控制点；

28、基于比例边界有限元方法建立比例边界坐标系，将边界单元降维离散成nurbs线元和普通线元，两者的位移场分别由nurbs形函数和传统拉格朗日形函数构造，在环向方向上进行数值求解，在径向方向进行解析求解；

29、对于三维问题基于八叉树分解进行网格划分，内部六面体单元采用刚度矩阵预先存储，对于边界上的单元，根据nurbs曲面与八叉树网格的交点，采用点的反求以及节点插入重构nurbs曲面信息，借助比例边界有限元将边界单元降维离散为nurbs曲面和普通平面，分别进行分析求解，完成等几何比例边界有限元拓扑优化。

30、作为优选的技术方案，可执行程序包括：

31、建立cad模型，生成nurbs曲面，通过四叉树分解划分设计域并构造nurbs单元，基于约束条件和载荷条件获得cae模型；

32、基于cae模型调用基于控制点密度的等几何比例边界有限元拓扑优化程序，得到优化结果，将优化结果进行光滑处理。

33、本发明还提供一种基于智能交互的结构设计分析优化一体化系统，包括：输入内容获取模块、输入内容转换模块、语义识别模块、语料库构建模块、信息提取模块、语义信息分析模块、优化程序生成模块、可执行程序生成模块、cad建模模块、网格划分模块、结构性能分析模块、拓扑优化模块、结果输出模块；

34、所述输入内容获取模块用于获取设计人员的语音输入内容或文本输入内容；

35、所述输入内容转换模块用于基于语音识别将语音输入内容转换成文本信息；

36、所述语义识别模块用于基于nlp算法对文本信息进行语义识别，得到语义信息；

37、所述语料库构建模块用于构建结构设计的关键词命令库、结构设计的关键参数命令库、结构分析的重要信息命令库作为nlp算法训练的语料库；

38、所述信息提取模块用于将语义信息与语料库进行对比，提取得到语义信息中的结构设计的关键词、结构设计的关键参数及结构分析的重要信息；

39、所述语义信息分析模块用于基于预设的结构设计分析优化所需参数，判断提取出的语义信息是否缺失或修改结构设计分析优化所需参数，若判定为缺失或修改参数，则存储当前已识别的信息，返回补充所缺失的信息或者修改已识别的信息，若判定为未缺失或未修改参数，则生成优化程序；

40、所述优化程序生成模块用于生成优化程序，所述优化程序包括：确定优化方式、设计域、设计目标、约束条件以及结构设计分析优化所需参数，构建拓扑优化模型，基于有限元方法进行数值求解，进行灵敏度分析并基于过滤方法抑制数值不稳定现象，对设计变量进行迭代更新，直至满足收敛条件后输出最优材料分布方案；

41、所述可执行程序生成模块用于根据所获取的语义信息中优化方式、设计目标和约束条件匹配对应的优化程序，同时将语义信息中的参数数据分别填入优化程序，生成可执行程序；

42、所述cad建模模块用于进行cad系统自动化建模；

43、所述网格划分模块用于进行网格划分；

44、所述结构性能分析模块用于采用等几何比例边界有限元进行结构性能分析；

45、所述拓扑优化模块用于调用设计目标所对应的优化程序进行拓扑优化，直至满足拓扑优化收敛条件；

46、所述结果输出模块用于对拓扑结构进行光滑处理并输出优化后的拓扑结构。

47、作为优选的技术方案，所述网格划分模块用于进行网格划分，所述结构性能分析模块用于采用等几何比例边界有限元进行结构性能分析，具体包括：

48、使用nurbs建立结构模型，基于四叉树分解技术进行网格划分，设计域内部的单元采用刚度矩阵预先存储，对于nurbs边界上的单元，根据nurbs曲线与四叉树网格的交点坐标，通过物理点信息进行点的反求，获取交点对应的节点向量，通过节点插入获取新的nurbs曲线，nurbs曲线与四叉树网格交点位置处均分布重构后nurbs曲线的控制点；

49、基于比例边界有限元方法建立比例边界坐标系，将边界单元降维离散成nurbs线元和普通线元，两者的位移场分别由nurbs形函数和传统拉格朗日形函数构造，在环向方向上进行数值求解，在径向方向进行解析求解；

50、对于三维问题基于八叉树分解进行网格划分，内部六面体单元采用刚度矩阵预先存储，对于边界上的单元，根据nurbs曲面与八叉树网格的交点，采用点的反求以及节点插入重构nurbs曲面信息，借助比例边界有限元将边界单元降维离散为nurbs曲面和普通平面，分别进行分析求解，完成等几何比例边界有限元拓扑优化。

51、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

52、本发明采用自然语言处理、人机交互和结构设计分析优化一体化的技术方案，可以通过语音/文本输入的方法指导结构设计，无需使用繁琐的手动操作流程，无需对设计人员进行专门操作培训即可使用，此外四叉树/八叉树分解技术的应用极大地缩减了网格划分的时间，而nurbs曲线结合比例边界有限元的采用则有限缩减了网格划分的规模，提供了一种高效、精确的求解方案，解决了传统结构设计流程中智能化程度和自动化程度低的问题，达到了结构设计便捷、直观、智能交互、上手门槛低的技术效果。