專(zhuān)利名稱：一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具體是一種直接適用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、網(wǎng)格依賴性 低且適用于各種通用對(duì)象的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明還涉及一種采用上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在當(dāng)前的工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，優(yōu)化設(shè)計(jì)理念已經(jīng)成為了節(jié)流增效，提高產(chǎn)品核心競(jìng) 爭(zhēng)力的主要手段之一。在傳統(tǒng)制造業(yè)中的飛機(jī)制造業(yè)、汽車(chē)制造業(yè)等各行業(yè)中，對(duì)關(guān)鍵部件 的結(jié)構(gòu)及性能要求不斷提高，這就給優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域不斷的提出新的課題。例如在傳統(tǒng)的飛 機(jī)制造業(yè)中的機(jī)翼和機(jī)身設(shè)計(jì)，要求對(duì)整體的剛度保證的前提下做到輕質(zhì)量，高強(qiáng)度的整 體設(shè)計(jì)要求，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真、再人為優(yōu)化的過(guò)程已經(jīng)不能夠滿足要求。汽車(chē)制造業(yè)等 其他傳統(tǒng)制造業(yè)也同樣面臨著類(lèi)似的問(wèn)題，例如車(chē)身殼體的設(shè)計(jì)及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的各零部件 設(shè)計(jì)，都對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。然而，目前的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其系統(tǒng)存在如下一些問(wèn)題一、對(duì)于設(shè)計(jì)的模型表達(dá)方法是基于有限元分析(FEA)模型表達(dá)，拓?fù)鋬?yōu)化邊界存在嚴(yán) 重的“階梯效應(yīng)”。優(yōu)化的結(jié)構(gòu)不能直接轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型的邊界表達(dá)，大 量的表面處理以重構(gòu)CAD邊界模型表達(dá)必不可少；二、網(wǎng)格依賴性高，優(yōu)化的精度的取決于有限元網(wǎng)格的稀疏度及網(wǎng)格分布優(yōu)劣程度；三、適用對(duì)象面窄，常常只能用于特定對(duì)象的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在需要對(duì)多種對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì)時(shí)，需要采用不同的方法，效率低，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的存在的技術(shù)問(wèn)題，有必要提供一種優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果可 直接適用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、網(wǎng)格依賴性低且適用于各種通用對(duì)象的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)及約束條件根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條 件，所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)幾何區(qū)域上的場(chǎng)函數(shù)，所述約束條件為在所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) 達(dá)到其最優(yōu)值所必須滿足的條件；進(jìn)行迭代優(yōu)化通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)及約束方程值，對(duì) 結(jié)構(gòu)幾何邊界進(jìn)行形狀敏度分析，以數(shù)學(xué)規(guī)劃中的乘子更新罰函數(shù)拉格朗日乘子，進(jìn)行邊 界演化使高維邊界表達(dá)函數(shù)更新后的低維結(jié)構(gòu)邊界將隨之更新并不斷逼近最優(yōu)結(jié)構(gòu)； 確定最佳設(shè)計(jì)根據(jù)形狀敏度獲得結(jié)構(gòu)模型的速度場(chǎng)若% IKy，其中y為預(yù)先設(shè)定的一個(gè)小的正數(shù)，則結(jié)構(gòu)模型達(dá)到最優(yōu)；若結(jié)構(gòu)模型不能達(dá)到最優(yōu)，則返回結(jié)構(gòu)有限元分析步驟進(jìn)行優(yōu)化迭代直至確定出最佳設(shè)計(jì)。本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是所述建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)及約束條件包括如下步 驟確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為勿，其中^力幾何邊界的高 維函數(shù)表達(dá)4是定義于結(jié)構(gòu)幾何區(qū)域Ω上的一個(gè)場(chǎng)函數(shù)；所述約束條件為在所述優(yōu)化目 標(biāo)函數(shù)達(dá)到其最優(yōu)值所必須滿足的條件；建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)域所述設(shè)計(jì)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)模型在優(yōu)化過(guò)程中進(jìn)行演化的區(qū)域； 優(yōu)化模型初始化優(yōu)化模型的初始化包括設(shè)置結(jié)構(gòu)有限元分析網(wǎng)格的參數(shù)、劃定設(shè)計(jì) 域和非設(shè)計(jì)域以及添加邊界條件。本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是在優(yōu)化模型初始化步驟中，邊界條件的添加包括位 移邊界條件添加和力邊界條件添加。本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是在確定優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)及約束條件步驟中，所述 目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)的柔順度、結(jié)構(gòu)的頻率、結(jié)構(gòu)全局或局部應(yīng)力、熱應(yīng)力、聲場(chǎng)應(yīng)力的多種目 標(biāo)中的一種或多種的組合。本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是在確定優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)及約束條件步驟中，所述 約束條件為使得結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)時(shí)必須滿足的條件，約束可以為體積約束、位移約束、固有頻 率約束、應(yīng)力約束的多種約束中的一種或多種的組合。本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是在迭代優(yōu)化步驟中包括如下步驟 結(jié)構(gòu)有限元分析初始化設(shè)計(jì)域的網(wǎng)格劃分，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析；計(jì)算目標(biāo)函數(shù)及約束方程值初始化幾何邊界的高維函數(shù)表達(dá)以高維函數(shù)的零等 勢(shì)面來(lái)描述結(jié)構(gòu)的邊界幾何表達(dá)，通過(guò)將初始設(shè)定的結(jié)構(gòu)幾何邊界用高維的信息描述，將 優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為目標(biāo)函數(shù)；形狀敏度分析所述形狀敏度為目標(biāo)函數(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)幾何邊界高維表達(dá)函數(shù)的時(shí)間變量4的導(dǎo)數(shù)，其表達(dá)為；
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)及約束條件根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條 件，所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)幾何區(qū)域上的場(chǎng)函數(shù)，所述約束條件為在所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) 達(dá)到其最優(yōu)值所必須滿足的條件；進(jìn)行迭代優(yōu)化通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)及約束方程值，對(duì) 結(jié)構(gòu)幾何邊界進(jìn)行形狀敏度分析，以數(shù)學(xué)規(guī)劃中的乘子更新罰函數(shù)拉格朗日乘子，進(jìn)行邊 界演化使高維邊界表達(dá)函數(shù)更新后的低維結(jié)構(gòu)邊界將隨之更新并不斷逼近最優(yōu)結(jié)構(gòu)； 確定最佳設(shè)計(jì)根據(jù)形狀敏度獲得結(jié)構(gòu)模型的速度場(chǎng)& ,若IlA IKy，其中,為預(yù)先設(shè)定的一個(gè)小的正數(shù)，則結(jié)構(gòu)模型達(dá)到最優(yōu)；若結(jié)構(gòu)模型不能達(dá)到最優(yōu)，則返回結(jié)構(gòu)有限元分析步驟進(jìn)行優(yōu)化迭代直至確定出最佳設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函 數(shù)及約束條件包括如下步驟確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為他釣，其中A力幾何邊界的高 維函數(shù)表達(dá)，u是定義于結(jié)構(gòu)幾何區(qū)域_」上的一個(gè)場(chǎng)函數(shù)；所述約束條件為在所述優(yōu)化目 標(biāo)函數(shù)達(dá)到其最優(yōu)值所必須滿足的條件；建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)域所述設(shè)計(jì)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)模型在優(yōu)化過(guò)程中進(jìn)行演化的區(qū)域； 優(yōu)化模型初始化優(yōu)化模型的初始化包括設(shè)置結(jié)構(gòu)有限元分析網(wǎng)格的參數(shù)、劃定設(shè)計(jì) 域和非設(shè)計(jì)域以及添加邊界條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在優(yōu)化模型初始化步驟中， 邊界條件的添加包括位移邊界條件添加和力邊界條件添加。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在確定優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù) 及約束條件步驟中，所述目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)的柔順度、結(jié)構(gòu)的頻率、結(jié)構(gòu)全局或局部應(yīng)力、熱 應(yīng)力、聲場(chǎng)應(yīng)力的多種目標(biāo)中的一種或多種的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在確定優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù) 及約束條件步驟中，所述約束條件為使得結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)時(shí)必須滿足的條件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在進(jìn)行迭代優(yōu)化步驟中包 括如下步驟結(jié)構(gòu)有限元分析初始化設(shè)計(jì)域的網(wǎng)格劃分，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析； 計(jì)算目標(biāo)函數(shù)及約束方程值初始化幾何邊界的高維函數(shù)表達(dá)以高維函數(shù)的零等 勢(shì)面來(lái)描述結(jié)構(gòu)的邊界幾何表達(dá)，通過(guò)將初始設(shè)定的結(jié)構(gòu)幾何邊界用高維的信息描述，將 優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為目標(biāo)函數(shù)韻；形狀敏度分析所述形狀敏度為目標(biāo)函數(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)幾何邊界高維表達(dá)函數(shù)的時(shí)間變量 的導(dǎo)數(shù)，其表達(dá)為A^fe ；dt Jr約束條件的罰函數(shù)更新以數(shù)學(xué)規(guī)劃中的乘子更新罰函數(shù)拉格朗日乘子； 邊界演化以前述形狀敏度分析所獲得的邊界法向速度場(chǎng)％來(lái)驅(qū)動(dòng)高維邊界表達(dá)函 數(shù)，高維邊界表達(dá)函數(shù)更新后的低維結(jié)構(gòu)邊界將隨之更新并不斷逼近最優(yōu)結(jié)構(gòu)。
7.—種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入的輸入單元、對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)的優(yōu)化單元、對(duì)所述優(yōu)化單元優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸出的輸出單元，所述優(yōu)化單元通過(guò) 對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)及約束方程值，對(duì)結(jié)構(gòu)幾何邊界進(jìn)行形狀 敏度分析，以數(shù)學(xué)規(guī)劃中的乘子更新罰函數(shù)拉格朗日乘子，進(jìn)行邊界演化使高維邊界表達(dá) 函數(shù)更新后的低維結(jié)構(gòu)邊界將隨之更新并不斷逼近最優(yōu)結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述優(yōu)化單元包括包括進(jìn) 行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)表達(dá)與管理的模型數(shù)據(jù)表達(dá)與管理模塊、進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析的有限 元分析模塊、根據(jù)有限元分析模塊分析的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化的優(yōu)化模塊，所述模型數(shù)據(jù)表達(dá)與 管理模塊對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)表達(dá)與管理后傳輸?shù)剿鲇邢拊治瞿K和 所述優(yōu)化模塊，所述有限元分析模塊通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，所述優(yōu)化模塊 計(jì)算目標(biāo)函數(shù)及約束方程值，對(duì)結(jié)構(gòu)幾何邊界進(jìn)行形狀敏度分析，以數(shù)學(xué)規(guī)劃中的乘子更 新罰函數(shù)拉格朗日乘子，進(jìn)行邊界演化使高維邊界表達(dá)函數(shù)更新后的低維結(jié)構(gòu)邊界將隨之 更新并不斷逼近最優(yōu)結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入單元包括進(jìn)行交 互建模的交互建模模塊、導(dǎo)入CAD模型的CAD接口模塊、導(dǎo)入通用文件的通用文件導(dǎo)入模 塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述輸出單元包括輸出 CAD文件的CAD文件輸出模塊、輸出通用文件的通用文件輸出模塊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)及約束條件、建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)域、初始化優(yōu)化模型、對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析并根據(jù)分析的結(jié)果計(jì)算目標(biāo)函數(shù)及約束方程的值、分析形狀敏度并根據(jù)分析的結(jié)果運(yùn)用適當(dāng)?shù)难莼惴ǜ履Ｐ偷纫幌盗胁襟E，最終得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型。本發(fā)明還提供一種采用上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)在充分實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)化算法的同時(shí)，又提供了良好的用戶界面以及數(shù)據(jù)接口。本發(fā)明所提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其系統(tǒng)可直接應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、網(wǎng)格依賴性低且適應(yīng)于各種通用對(duì)象。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102054106SQ20101061864
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者吳曉軍, 王煜 申請(qǐng)人:吳曉軍