帶有多種材料的拓?fù)鋬?yōu)化的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)領(lǐng)域涉及產(chǎn)生域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法，以及更確切地指使用有限元分析和多種材料類型優(yōu)化域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)被設(shè)計用于多種目的，并且所需性能標(biāo)準(zhǔn)取決于結(jié)構(gòu)的所想要的使用和目的而廣泛變化。例如，對于飛機中的組件相比較于在橋梁中的組件，重量通常是更重要的標(biāo)準(zhǔn)。對于一定的形狀，分析方法可被用來創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如“I”形梁，其中已知的方程形成精確的模型用于了解結(jié)構(gòu)在確定的負(fù)載下將如何行為。然而，這些分析的方法對于許多復(fù)雜的形狀并不容易實施。近年來，帶有偏微分方程的有限元方法已經(jīng)被使用來幫助設(shè)計關(guān)于復(fù)雜形狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。有限元分析是一種數(shù)學(xué)方法，其將區(qū)域或面積分解成多個有限元，并且計算施加的負(fù)載將如何影響每個單元或節(jié)點。
[0003]在預(yù)研階段有限元分析被使用作初步設(shè)計工具。處于施加的負(fù)載下的通常的域能夠被分析，并且結(jié)果能夠在結(jié)構(gòu)的設(shè)計中有所幫助。除了有限元分析的許多因素被使用來確定結(jié)構(gòu)的最終形狀，例如工藝性、美學(xué)性、成本等等，因此從有限元分析的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種被使用來幫助設(shè)計結(jié)構(gòu)的工具。因為對可能的結(jié)構(gòu)形狀建模來估計性能通常比生產(chǎn)和測試樣品更經(jīng)濟，所以有限元分析開始流行。多種多樣的應(yīng)力能夠被分析，例如應(yīng)變能、應(yīng)力、質(zhì)量、體積、溫度、位移、速度和加速度等等。
[0004]在一些實施例中，初始的域被確定并且被劃分成多個有限的單元。有限元分析從給定的負(fù)載向量計算至創(chuàng)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)變能，通過確定預(yù)先設(shè)定的材料類型是否應(yīng)該存在或不存在于每個單元。然而，對于優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的商業(yè)上可用的程序被限于單一的材料類型。由于許多產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)使用超過一種材料類型，對于每種材料類型的有限元分析必須單獨進(jìn)行。這限制了來確定并入多于一種材料類型的不同的特性的優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的能力。
[0005]因此，需要提出用于產(chǎn)生對于多種類型材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)和方法。此外，需要提出對于多種類型材料同時優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)和方法。而且，結(jié)合附圖與本發(fā)明的此背景，本實施例的其它的理想的特征和特點將從隨后的詳細(xì)說明和隨附的權(quán)利要求變得清楚的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種用于產(chǎn)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的方法被提出。本方法包括將問題約束輸入計算機，其中問題約束包括域、負(fù)載向量、目標(biāo)函數(shù)和多種材料類型。域被劃分成多個單元，其中單個的單元與一種材料類型相關(guān)聯(lián)，使得多種類型材料中的每一種與超過一個的單元相關(guān)聯(lián)。關(guān)于單元的單元變量被計算，并且計算機確定計算是否完全。如果計算不完全，則關(guān)于單元的單元變量的計算步驟被重復(fù)。如果計算是完全的，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計被輸出。
[0007]根據(jù)另外的實施例，一種用于產(chǎn)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)被提出。此系統(tǒng)包括帶有非瞬時性計算機可讀的媒介、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的計算機。計算機被配置來接收來自輸入設(shè)備的問題約束的進(jìn)入，其中問題約束包括域、負(fù)載向量、目標(biāo)函數(shù)和多種材料類型。計算機也被配置來將域劃分成多個單元，其中單個的單元與一種材料類型相關(guān)聯(lián)，使得多種材料類型中的每一種與超過一個的單元相關(guān)聯(lián)。計算機迭代地計算關(guān)于單元的單元變量直至計算是完全的，并且由此計算機輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計。
[0008]本發(fā)明還提供了以下方案:
1.一種產(chǎn)生設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法，其中該方法包括下列步驟:
將問題約束輸入至計算機中，其中該問題約束包括域、負(fù)載向量、目標(biāo)函數(shù)以及多種材料類型；
將該域劃分成多個單元，其中單個的單元與一種材料類型相關(guān)聯(lián)，使得多種材料類型中的每種與超過一個的單元相關(guān)聯(lián)；
計算對于所述單元的單元變量；
確定該計算是否是完全的，并且如果計算不是完全的，重復(fù)對于所述單元的所述單元變量的計算；以及
如果所述計算是完全的，輸出該設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0009]2.根據(jù)方案I所述的方法，其中該目標(biāo)函數(shù)包括最小應(yīng)變能，并且其中確定所述計算是否是完全的進(jìn)一步包括確定對于所述單元的所述單元變量是否代表空值或滿值，并且所述最小應(yīng)變能的所述目標(biāo)函數(shù)是否被優(yōu)化。
[0010]3.根據(jù)方案I所述的方法，其中:
將所述問題約束輸入進(jìn)一步包括輸入包括最大可允許質(zhì)量的所需性能標(biāo)準(zhǔn)。
[0011]4.根據(jù)方案I所述的方法，其進(jìn)一步包括:
在計算所述單元變量之后，促使所述單元變量接近空值或滿值。
[0012]5.根據(jù)方案I所述的方法，其中該域包括三維，其中每個單元包括單元面以及其中:
將該域劃分成多個單元進(jìn)一步包括將該域劃分成多個單元，其中對于每個單元的所述單元面鄰接域邊界，或者鄰接代表不同的材料類型的所述單元的所述單元面。
[0013]6.根據(jù)方案I所述的方法，其中計算該單元變量進(jìn)一步包括計算質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0014]7.根據(jù)方案I所述的方法，其中輸入所述問題約束進(jìn)一步包括輸入三種或更多種材料類型。
[0015]8.根據(jù)方案I所述的方法，其中將域劃分成多個單元進(jìn)一步包括將每個單元與一種材料類型相關(guān)聯(lián)。
[0016]9.根據(jù)方案I所述的方法，其中將所述問題約束輸入所述計算機進(jìn)一步包括將所述問題約束輸入所述計算機的非瞬時性計算機可讀媒介。
[0017]10.一種用于產(chǎn)生設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其包括:
計算機，其包括非瞬時性計算機可讀媒介、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，以及其中該計算機被配置來:
從該輸入設(shè)備接收問題約束的輸入，其中該問題約束包括域、負(fù)載向量、目標(biāo)函數(shù)以及多種材料類型；
將域劃分成多個單元，其中單個的單元與在問題約束中輸入的一種材料類型相關(guān)聯(lián)，使得每種材料類型與超過一個單元相關(guān)聯(lián)；
迭代地計算對于所述單元的所述單元變量直至計算是完全的；以及在所述計算是完全的之后，輸出該設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0018]11.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該計算機進(jìn)一步被配置來確定所述計算是否是完全的，通過確定所述單元是否代表空值或滿值，以及該目標(biāo)函數(shù)是否被優(yōu)化。
[0019]12.根據(jù)方案11所述的系統(tǒng)，其中該目標(biāo)函數(shù)包括最小應(yīng)變能。
[0020]13.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中:
該問題約束進(jìn)一步包括所需性能標(biāo)準(zhǔn)，其中所需性能標(biāo)準(zhǔn)包括最大可允許質(zhì)量。
[0021]14.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該計算機進(jìn)一步被配置來分配基準(zhǔn)值至所述單元變量用于計算所述單元變量的第一次迭代，并且其中該基準(zhǔn)值對于與多種材料類型中的一種相關(guān)聯(lián)的每個單元是相同的。
[0022]15.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該計算機進(jìn)一步被配置來在計算所述單元變量之后，促使所述單元變量接近空值或滿值。
[0023]16.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該域包括三維，每個單元包括單元面，以及對于每個單元的所述單元面鄰接域邊界，或者鄰接與不同的材料類型相關(guān)聯(lián)的所述單元的所述單元面。
[0024]17.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中所述多種材料類型包括三種或更多種材料類型。
[0025]18.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中每個單元被分配至材料類型中的一種。
[0026]19.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該問題約束進(jìn)一步包括分配所述域的一部分至材料類型中的一種。
[0027]20.一種產(chǎn)生設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法，其中該方法包括下列步驟:
將問題約束輸入計算機，其中該問題約束包括域、負(fù)載向量、包括最小應(yīng)變能的目標(biāo)函數(shù)以及多種材料類型，和包括最大可允許質(zhì)量的所需性能標(biāo)準(zhǔn)；
將所述域劃分成多個單元，其中每個單元與所述多種材料類型中的一種相關(guān)聯(lián)，使得多種材料類型中的每一種與超過一個單元相關(guān)聯(lián)；
使用所述計算機對于每個單元計算單元變量，其中該單元變量是質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
促使該單元變量接近滿值或空值；
通過確定下列來確定所述計算是否是完全的:
對于每個單元的所述單元變量是否代表滿值或空值；以及該目標(biāo)函數(shù)是否已經(jīng)被最小化；
如果所述計算不是完全的，對于每個單元返回計算所述單元變量；以及如果所述計算是完全的，輸出該設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0028]示例性的實施例在下文中將結(jié)合下列附圖進(jìn)行描述，其中相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件，以及其中:
圖1是表示計算機的示例性實施例的框圖；
圖2是表示問題約束的示例性實施例的框圖； 圖3顯示帶有負(fù)載向量施加至車輪的機動車輛的示例性實施例