能获得趋于〇或1的拓扑结构问题，继续引入标准ESLM方法，获得清晰的拓扑优化结构，从 而实现基于单次和最大迭代ESLM的高速轻载机构混合优化。
[0061] 本发明中所述的混合优化方法将非线性动态结构优化过程分为两个阶段：第一阶 段中将ESLM中的线性结构优化迭代限定为单次修改，充分考虑惯性载荷变化的影响；第二 阶段中采用标准的ESLM优化，获得最终拓扑优化结果。
[0062]结合图1所示，本发明所述的高速轻载机构非线性动态系统结构拓扑参数混合优 化方法，实施步骤如下：
[0063] a.建立含有运动学自由度的非线性有限元模型；
[0064] b.对a步骤中的有限元模型进行非线性动力学分析，获得模型在各时间步上刚度 与位移信息；
[0065]c.根据b步骤获取的各时间步上的刚度与位移信息，计算获得多时间步上的等效 静态载荷；
[0066]d.根据期望的结构优化模型，以c步骤获取的等效静态载荷集合作为优化模型参 数，进行一次优化步长搜索，获得一组新的结构设计变量；
[0067]e.根据d步骤中获取的最新结构设计变量来更新有限元模型中的材料参数，或有 限元模型的厚度信息，获得更新后的有限元模型；
[0068]f.对e步骤中获得更新后的有限元模型重新依次执行b-c-d步骤的操作，获得更 新后的有限元模型多时间步对应的等效静态载荷；
[0069]g.将步骤f中所述的新一轮计算与上一轮计算所获得的多时间步对应等效静态 载荷的绝对差值之和与预设的收敛阈值进行比较；若小于预设阈值，则收敛条件满足，终止 第一阶段的结构优化；否则，重复d-e-f步骤直至满足收敛条件；
[0070] h.将满足g步骤中收敛条件的最终结构设计变量对应的相对密度信息转换成厚 度信息；
[0071] i.根据h步骤中的厚度信息重构机构的几何信息，经重新划分网格等处理后获得 第二阶段结构优化所需的包含运动学自由度的非线性有限元模型；
[0072] j.对i步骤中的有限元模型进行非线性动力学分析，获得模型在各时间步上刚度 与位移信息；
[0073] k.根据j步骤获取的各时间步上的刚度与位移信息，计算获得多时间步上的等效 静态载荷；
[0074] 1.利用k步骤获得多时间步上的等效静态载荷集合作为优化模型参数，对i步骤 中有限元模型的设计变量进行线性优化，并获得满足优化问题收敛条件的最优结构设计变 量；
[0075] m.根据1步骤获得新的结构设计变量更新结构设计；
[0076] η.对m步骤中更新后的结构对应的有限元模型依次执行j-k步骤的操作，获得一 组新的有限元模型多时间步处的等效静态载荷；
[0077] 〇.将步骤η中所述的最新计算与上一轮计算所获得的多工况对应等效静态载荷 的绝对差值之和与预设的收敛阈值进行比较；若小于预设阈值，则收敛条件满足，终止第二 阶段的结构优化；否则，重复1-m-n步骤直至满足收敛条件；
[0078]P.根据〇步骤获得第二阶段的最优结构设计变量更新结构。
[0079] 在电子封装等高速轻载机构中，外载荷几乎为零，主要载荷是惯性载荷。优化过程 中惯性载荷不变的假设会产生很大的误差。因此，应该把等效载荷也看成设计变量的函数。 优化模型变成：
[0080] Find b e Rn
[0081] to minimize f (b, z)
[0082] subject to K (b) z (s)-feq (b, s) =0；s = 1,...,1
[0083] gj (b, z) ^ 0； j = 1，...，m
[0084] 0· 0 < K b A 1. 0 ; i = 1，...，n
[0085] 其中b为设计变量向量，记号s表示在非线性分析时间步的序号，y(s)为第s时 间步处的节点位移向量，Ub, s)表示第s时间步处的设计变量向量对应的等效静态载荷， K(b)表示设计变量向量对应的刚度矩阵，g_j(b, z)表示约束条件，1表示动态分析过程的离 散时间步总数，m表示优化模型中的约束数量，η表示设计变量向量中的元素数量。在优化 过程中，当设计变量发生变化时，结构刚度矩阵和等效静态载荷都发生变化，使得优化结果 更加准确。
[0086] 上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以 采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。[0087] 总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人 员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包 括在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种高速轻载机构非线性动态系统结构拓扑参数混合优化方法，其特征在于，包括 以下步骤： a. 建立含有运动学自由度的非线性有限元模型； b. 对a步骤中的有限元模型进行非线性动力学分析，获得模型在各时间步上刚度与位 移fg息； c. 根据b步骤获取的各时间步上的刚度与位移信息，计算获得多时间步上的等效静态 载荷； d. 根据期望的结构优化模型，以c步骤获取的等效静态载荷集合作为优化模型参数， 进行一次优化步长搜索，获得一组新的结构设计变量； e. 根据d步骤中获取的最新结构设计变量来更新有限元模型中的材料参数，或有限元 模型的厚度信息，获得更新后的有限元模型； f. 对e步骤中获得更新后的有限元模型重新依次执行b-c-d步骤的操作，获得更新后 的有限元模型多时间步对应的等效静态载荷； g. 将步骤f?中所述的新一轮计算与上一轮计算所获得的多时间步对应等效静态载荷 的绝对差值之和与预设的收敛阈值进行比较；若小于预设阈值，则收敛条件满足，终止第一 阶段的结构优化；否则，重复d-e-f?步骤直至满足收敛条件； h. 将满足g步骤中收敛条件的最终结构设计变量对应的相对密度信息转换成厚度信 息； i. 根据h步骤中的厚度信息重构机构的几何信息，经重新划分网格等处理后获得第二 阶段结构优化所需的包含运动学自由度的非线性有限元模型； j. 对i步骤中的有限元模型进行非线性动力学分析，获得模型在各时间步上刚度与位 移fg息； k. 根据j步骤获取的各时间步上的刚度与位移信息，计算获得多时间步上的等效静态 载荷； l. 利用k步骤获得多时间步上的等效静态载荷集合作为优化模型参数，对 i步骤中有限元模型的设计变量进行线性优化，并获得满足优化问题收敛条件的最优 结构设计变量； m. 根据1步骤获得新的结构设计变量更新结构设计； n. 对m步骤中更新后的结构对应的有限元模型依次执行j-k步骤的操作，获得一组新 的有限元模型多时间步处的等效静态载荷； 〇.将步骤n中所述的最新计算与上一轮计算所获得的多工况对应等效静态载荷的绝 对差值之和与预设的收敛阈值进行比较；若小于预设阈值，则收敛条件满足，终止第二阶段 的结构优化；否则，重复1-m-n步骤直至满足收敛条件； P.根据〇步骤获得第二阶段的最优结构设计变量更新结构。2.根据权利要求1所述的高速轻载机构非线性动态系统结构拓扑参数混合优化方法， 其特征在于，步骤a中所述有限元模型为： Find b G Rn to minimize f(b, z) subject to K (b) z (s) -feq (b，s) = 0 ;s = 1，…，I gj(b, z)^ O ；j = I, ---,m 0? O < K b A 1.0 ;i = I, ...，n 其中，b为设计变量向量，记号s表示在非线性分析时间步的序号，K(b)表示设计变量 向量对应的刚度矩阵，Z(S)为第s时间步处的节点位移向量，Ub,s)表示第s时间步处 的设计变量向量对应的等效静态载荷，g](b，Z)表示约束条件，1表示动态分析过程的离散 时间步总数，m表示优化模型中的约束数量，n表示设计变量向量中的元素数量。
【专利摘要】本发明公开了一种高速轻载机构非线性动态系统结构拓扑参数混合优化方法，将标准ESLM(equivalent？static？loads？method,等效静态载荷方法)中的线性结构优化迭代限定为单次修改，以便将结构修改引起的惯性载荷的变化立刻反映到优化模型中，获得等效载荷变化最小的结构，并针对单次修改不能获得趋于0或1的拓扑结构问题，继续引入标准ESLM方法，获得清晰的拓扑优化结构，从而实现基于单次和最大迭代ESLM的高速轻载机构混合优化。本发明将等效载荷考虑为设计变量的函数，重新构造优化模型，并提出了相应的求解方法，可以在满足优化条件下尽可能降低残余振幅，与标准等效静态载荷相比，相同运动条件下的振幅可以降低一半，大幅提升高速轻载机构的性能，满足高速轻载机构不同的设计需求。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105243231
【申请号】CN201510738315
【发明人】陈新, 杨志军, 陈超然, 吴柏生
【申请人】广东工业大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年11月2日