基于双向渐进结构优化的超高速离心机转头优化方法

本申请属于离心机转头优化，具体涉及一种基于双向渐进结构优化的超高速离心机转头优化方法。

背景技术：

1、拓扑优化，指的就是在给定的约束条件下，寻找最佳的材料分布模式。这涉及到对材料和结构的细致分析，旨在达到最优的性能或重量比。在多种拓扑优化方法中，变密度法、渐进结构法以及均匀化法是较为常见的。其中，渐进结构优化法通过逐步剔除材料中的无效或低效部分，使得剩下的结构逐渐达到最优状态。

2、然而，这种方法通常只针对单一的性能指标进行优化。但在实际应用中，特别是在离心机的使用场景里，我们往往需要考虑多个性能指标。单一的性能指标优化显然不能满足这种实际需求。

3、因此，实有必要提供一种基于双向渐进结构优化的超高速离心机转头优化方法以解决上述问题。

技术实现思路

1、本申请提供一种基于双向渐进结构优化的超高速离心机转头优化方法，利用ishai应力准则对离心机转头进行详细的应力分析；然后根据分析结果，以应力的分布和结构的刚度为目标函数，采用双向渐进结构的方法进行结构优化。该方法的优点在于其综合考虑了应力的分布、结构的刚度和以离心力为主要载荷等多个性能指标，使得在保证结构强度的同时，实现离心机转头的轻量化设计。

2、为解决上述技术问题，本申请的技术方案在于：

3、一种基于双向渐进结构的超高速离心机转头优化方法，包括如下步骤：

4、步骤s1，构建超高速离心机转头的初始模型，并定义初始设计区域；

5、步骤s2，将所述初始模型网格离散化，建立有限元模型，分析有限元模型结构在离心力载荷下的应力分布；

6、步骤s3，基于ishai应力准则，在有限元模型的高应力单元周围增加新的单元，删除低应力单元，对网格进行更新；

7、步骤s4，以刚度最小化和转动惯量最大化为优化目标，构建多目标优化模型，采用全局准侧法进行迭代优化，输出直至性能指标最大或者达到指定的应力限或准则限，完成优化过程，输出最优的拓扑结构。

8、优选的，所述超高速离心机转头的初始模型包括沿轴线呈环形阵列分布的六个转头单元，选择任一所述转头单元作为待优化主体，定义所述优化主体的内端、外端及用于放置试样的中心圆孔为非设计区域，除去非设计区域以外的区域为设计区域。

9、优选的，步骤s3中，ishai应力准则σish表示为：

10、

11、式中，s表示拉应力与压应力的绝对值之比；j2d表示应力偏量；j1表示应力不变量；

12、其中，

13、

14、式中，表示平面应力的主应力；

15、

16、其中，的分别表示x-x，y-y，x-y方向上的主应力。

17、应力偏量j2d与扭转剪应力τ0和vonmises应力σvm关系为：

18、

19、优选的，步骤s3具体包括如下过程：

20、将单元的ishai应力与整个结构的ishai应力进行比较，在每一次有限元分析完后，从初始模型中删除满足下列条件的所有单元：式中，rri为第i次迭代过程中的删除率；

21、在优化迭代几步后,围绕结构边界或洞穴确定当前结构满足式的单元和单元个数m，并按式l＝ir×min(m,n)确定最大应力的l个单元,然后确定与该最大应力的l个单元邻接的材料数编号为零的所有单元和单元个数k,如果满足关系式k＜jr×min(m,n),则增加该k个邻接单元,否则不增加任何单元，其中，ir为需增添的单元比例数，取值在0.3～0.5间；jr为度量结构边界或洞穴周围最大应力单元密集程度的一个临界比例数，取值在0.8～.9间。

22、优选的，步骤s4中，所述多目标优化模型表示为：

23、

24、式中，c表示柔度；{p}t表示刚度系数矩阵；j表示转动惯量；vi表示单元体积；v*表示目标体积；ρ0表示初始密度；ri表示某一节点的半径；xi表示设计变量；u表示在某一节点的位移。

25、优选的，采用全局准则法计算有限元模型中单元的灵敏度ai，计算过程表示为：

26、

27、式中，j表示迭代后的任意单元；aij表示迭代后的单元节点灵敏度；分别表示迭代后单元节点灵敏度的最小值和最大值。

28、优选的，在再次进行单元灵敏度计算时进行一次历史迭代，用以求得平均灵敏度，即：

29、

30、式中，为第k次迭代时第i个单元的灵敏度值。

31、本申请的有益效果在于：

32、利用ishai应力准则对离心机转头进行详细的应力分析，根据分析结果，以应力的分布和结构的刚度为目标函数，采用双向渐进结构的方法进行结构优化。该方法的优点在于其综合考虑了应力的分布、结构的刚度和以离心力为主要载荷等多个性能指标，使得在保证结构强度的同时，实现离心机转头的轻量化设计。这不仅可以提高设备的性能，还可以降低设备的能耗和成本。此外，该方法还可以广泛应用于其他类似的高速回转体的结构优化问题中，具有很高的实用价值和应用前景。

技术特征：

1.一种基于双向渐进结构的超高速离心机转头优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述超高速离心机转头的初始模型包括沿轴线呈环形阵列分布的六个转头单元，选择任一所述转头单元作为待优化主体，定义所述优化主体的内端、外端及用于放置试样的中心圆孔为非设计区域，除去非设计区域以外的区域为设计区域。

3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，步骤s3中，ishai应力准则σish表示为：

4.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，步骤s3具体包括如下过程：

5.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于，步骤s4中，所述多目标优化模型表示为：

6.根据权利要求5所述的优化方法，其特征在于，采用全局准则法计算有限元模型中单元的灵敏度αi，计算过程表示为：

7.根据权利要求6所述的优化方法，其特征在于，在再次进行单元灵敏度计算时进行一次历史迭代，用以求得平均灵敏度，即：

技术总结
本申请提供一种基于双向渐进结构优化的超高速离心机转头优化方法，属于离心机转头优化技术领域。本申请利用IShai应力准则对离心机转头进行详细的应力分析；然后根据分析结果，以应力的分布和结构的刚度为目标函数，采用双向渐进结构的方法进行结构优化。该方法的优点在于其综合考虑了应力的分布、结构的刚度和以离心力为主要载荷等多个性能指标，使得在保证结构强度的同时，可以实现离心机转头的轻量化设计。

技术研发人员：戴宏亮,龚豪杰,李郁松
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27