專利名稱：一種基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械行業(yè)儲能結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種均質(zhì)材料盤型飛輪結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅可以有效改進(jìn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，而且還可以為超出設(shè)計者經(jīng)驗的概念設(shè)計提供重要的、有價值的理論指導(dǎo)。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化以材料分布為優(yōu)化對象，在材料均勻分布的設(shè)計空間中搜尋最佳的分布方案。拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的高級階段，其難度要遠(yuǎn)高于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，但隨著計算機(jī)計算能力的提升及有限元技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)不僅成為了可能，并且已經(jīng)逐漸發(fā)展起來。目前，具有代表性的拓?fù)鋬?yōu) 化方法主要有均勻化(Homogenization)方法、SIMP (Solid Isotropic Material withPenalization)方法、水平集(level set)方法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(Evolutionary StructuralOptimization, ES0)方法及 ICM(Independent Continuous Method)方法等。與其它幾種方法相比，漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法具有概念簡單、收斂快、邊界清晰、易于實現(xiàn)的特點，目前，在工程設(shè)計中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。對于均質(zhì)材料盤型飛輪，在一定的約束條件下，僅靠形狀優(yōu)化往往不能得到最為經(jīng)濟(jì)實用的飛輪結(jié)構(gòu)，如生活中常見的輻板式、輻條式盤型飛輪是不能通過形狀優(yōu)化得到的。對于輻板或輻條式飛輪，“洞”挖在什么位置、挖什么形狀才能使結(jié)果最優(yōu)？這就涉及到了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題。因此，針對傳統(tǒng)飛輪設(shè)計方法存在的問題和不足，對飛輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，以降低飛輪重量，提高飛輪性能，具有實際的指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種針對盤型飛輪結(jié)構(gòu)的收斂更快、更易于實現(xiàn)的拓?fù)鋬?yōu)化方法。為解決上述問題，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案一種基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化(Bi-directional Evolutionary StructuralOptimization, BES0)的飛輪優(yōu)化設(shè)計方法,其特征在于,步驟為(I)對飛輪初始設(shè)計域進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并給定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)體積V*、體積進(jìn)化率和濾波半徑；(2)對飛輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，計算各單元的應(yīng)力敏度數(shù)以及本次迭代的敏度數(shù)；(3)確定下次迭代的結(jié)構(gòu)目標(biāo)體積；假設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)體積為已給定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)體積則在拓?fù)鋬?yōu)化過程中，單元的刪添可按照結(jié)構(gòu)剩余體積V是否滿足目標(biāo)體積V*進(jìn)行控制；(4)重復(fù)步驟(2廣(3)，直至目標(biāo)體積Ψ及收斂條件式同時得到滿足。所述步驟(I)中采用應(yīng)力均方差作為雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化算法的性能判斷指標(biāo)，通過將實和空單元按敏度數(shù)大小統(tǒng)一排隊的辦法，實現(xiàn)了單元刪添的同步進(jìn)行。所述步驟(2)中采用敏度濾波方法有效改善BESO算法的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。在所述步驟(2)中采用的敏度濾波方法包括如下步驟首先，將第i個單元各節(jié)點處的敏度數(shù)求平均，以此平均值為該單元的敏度數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在干，步驟為 (1)對飛輪初始設(shè)計域進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并給定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)體積V*、體積進(jìn)化率和濾波半徑； (2)對飛輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，計算各単元的應(yīng)カ敏度數(shù)以及本次迭代的敏度數(shù)； (3)確定下次迭代的結(jié)構(gòu)目標(biāo)體積；假設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)體積為已給定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)體積ず，則在拓?fù)鋬?yōu)化過程中，単元的刪添可按照結(jié)構(gòu)剩余體積V是否滿足目標(biāo)體積ず進(jìn)行控制； (4)重復(fù)步驟(2廣(3)，直至目標(biāo)體積ず及收斂條件式同時得到滿足。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(I)中采用應(yīng)力均方差作為雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化算法的性能判斷指標(biāo)，通過將實和空単元按敏度數(shù)大小統(tǒng)ー排隊的辦法，實現(xiàn)了單元刪添的同步進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(2)中采用敏度濾波方法有效改善BESO算法的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于在所述步驟(2)中采用的敏度濾波方法包括如下步驟 首先，將第i個單元各節(jié)點處的敏度數(shù)求平均，以此平均值為該単元的敏度數(shù)
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于對于四邊形單元N = 4,對于六面體單元N = 8。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于權(quán)重因子w(ru)按下式計算W(Aj) = ^inTij., j = 1，2，...，K 式中為圓形區(qū)域內(nèi)第j個單元的質(zhì)心到單元i的質(zhì)心的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6之一所述的基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在干為了保證迭代過程具有更好的收斂性，再進(jìn)行一次歷史迭代求平均敏度數(shù)，即
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(3)中，當(dāng)剰余體積V大于目標(biāo)體積V*吋，BESO算法主要以刪除單元為主，以減小V使其逐漸滿足目標(biāo)體積ず，但優(yōu)化過程中，高敏度數(shù)的空単元依然能夠被轉(zhuǎn)換成實單元添加到結(jié)構(gòu)中；當(dāng)剰余體積V小于目標(biāo)體積ず吋，BESO算法主要以添加単元為主，以增大V使其逐漸滿足目標(biāo)體積ず，但是低敏度數(shù)的實單元的依然能夠從結(jié)構(gòu)中刪除。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于進(jìn)化過程中，結(jié)構(gòu)的體積表示為 Vk+1 = Vk(l±ER)， (k=l，2，3，…) 式中，ER為體積進(jìn)化率；k為迭代次數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于一旦結(jié)構(gòu)體積Vk達(dá)到了目標(biāo)體積r,結(jié)構(gòu)的體積將被保持為r不變；通過步驟(3)得到各単元的敏度數(shù)a i后，將所有實單元和空単元按照敏度數(shù)的大小從高到低或從低到高進(jìn)行排隊；假設(shè)刪除閥值和添加閥值分別為、On- ,a%, <a%d，則對于滿足a,的實單元進(jìn)行刪除操作，即變?yōu)榭諈g元，對于滿足> ム的空單元進(jìn)行添加操作，即變?yōu)閷崋卧?；閥值a=、al的確定按下面的步驟計算 1)對于第k次迭代，若已排好隊的所有単元中，前面M1個單元的體積和等于Vk+1，若第M1+l個單元敏度數(shù)為a th，則ぬ=ath; 2)計算滿足％> 的空単元的體積AR，若AR小于預(yù)先設(shè)定的最大添加體積AR_，則跳過第3)步，否則，轉(zhuǎn)第3)步，重新計算《1、ald 3)將所有空単元按敏度數(shù)從大到小的順序排隊，若前面Mtl個空單元的體積和等于ARmax，則將第M0+l個空單元的敏度數(shù)設(shè)為;為了保證第k+1次迭代的體積Vk+1，同理，可通過刪除単元體積和等于(Vk-Vk+1+AR_)的方法來確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的盤型飛輪優(yōu)化設(shè)計方法，所述盤型飛輪為勻質(zhì)材料，所述設(shè)計方法，包括以下步驟對盤型飛輪初始設(shè)計域進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并給定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)體積、體積進(jìn)化率和濾波半徑；對該飛輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析并計算各單元的應(yīng)力敏度數(shù)；得到本次迭代的敏度數(shù)和下次迭代的結(jié)構(gòu)目標(biāo)體積；刪添單元直至目標(biāo)體積及收斂條件同時得到滿足。通過本發(fā)明可以合理指導(dǎo)實際的飛輪優(yōu)化設(shè)計，以保證一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減小飛輪的質(zhì)量。
文檔編號G06F17/50GK102760183SQ201210182700
公開日2012年10月31日 申請日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者孫光永, 徐峰祥, 李光耀, 毛麗臣, 閆曉磊 申請人:湖南大學(xué)