专利名称：带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法
技术领域：
本发明涉及一种带孔薄壁曲面结构的孔洞优化设计方法，特别是涉及一种带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法。
背景技术：
航空航天飞行器动力装备设计中，存在大量维修孔、工艺孔、冷却孔等薄壁曲面结构上的孔洞优化设计的工程应用实例。孔洞的存在，不可避免会导致孔周应力集中等问题， 直接影响到结构的使用寿命。另外，孔洞大小的选取与结构的重量直接相关，对于宇航结构减重尤为重要。孔洞优化设计过程中一般是首先采用拟合曲线、解析方程等方法建立孔洞边界曲线的几何参数方程，其次选用参数方程的控制点坐标作为设计变量，通过修改这些控制点的位置，优化孔洞边界的拟合曲线。文献 1 “ Shape optimal design using B-splines. Braibant V and Fleury, C. Computermethods in applied mechanics and engineering，1984，44 :247-267.，，公幵了一种采用B样条曲线拟合孔周曲线，进行孔形优化设计的方法。文献2“The coupling of geometric descriptions and finite elements using NURBS-Astudy in shape optimization. Schramm U and Pilkey WD. Finite elements in analysis anddesign，1993，15 :11-34. ”公开了一种采用NURBS曲线拟合孔周曲线，进行孔形优化设计的方法。对于平面上的孔洞设计问题，这种方法可以实现。但对于空间问题，即使控制点的修改始终保证位于给定的空间曲面上，但对应的拟合曲线仍无法保证也位于给定的曲面上。文献 3“0n the optimum shape of fillets in plates subjected to multiple in-plane loadingcases. Kristensen ES and Madsen NF. International journal for numerical methods inengineering，1976，10 :1007-1019. ”公开了一种采用不同孔周曲线解析方程组合参数作为设计变量，进行孔形优化设计的方法。对于平面上的孔洞设计问题， 这种方法较简便。但对于空间问题，孔周曲线变化十分复杂，一般较难直接采用解析表达式表达。
发明内容
为了克服现有的带孔薄壁曲面结构的孔洞优化设计方法难以直接采用解析表达式表达的不足，本发明提供一种带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法。该方法利用无孔薄壁曲面结构与相交柱面之间的布尔差运算实现草图平面上的孔洞设计变量对带孔薄壁曲面结构上孔洞形状与位置的控制，这时带孔薄壁曲面结构上的孔周边界曲线实际上通过给定曲面与相交柱面之间的布尔差运算实现了隐式表达，从而可以自动满足优化迭代过程中孔周边界曲线始终位于给定的曲面结构上的设计要求。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式
3表达优化设计方法，其特点是包括以下步骤(a)在有限元分析软件的前处理器或CAD建模软件中，建立无孔薄壁曲面结构的几何模型，对于循环对称结构建立无孔单胞几何模型；(b)根据设计要求确定每个孔洞在带孔薄壁曲面结构上的位置分布，每个孔洞需要设定独立的草图平面，通过设定原点位置和坐标轴方向建立各个孔洞对应的草图平面；(C)根据设计要求，采用椭圆、样条、B样条或者NURBUS曲线的形式绘制带孔薄壁曲面结构上的孔洞对应的位于草图平面上的平面边界曲线，选用椭圆平面边界曲线的长短轴半径，样条、B样条或者NURBS平面边界曲线的控制顶点坐标作为孔形设计变量，同时优化孔洞位置时，选用平面边界曲线中心在草图平面上的坐标作为孔洞位置设计变量；(d)采用垂直拉伸，即垂直于草图平面的方式拉伸，或沿与草图平面按照要求角度的方向拉伸，由带孔薄壁曲面结构上的孔洞在相应的草图平面上对应的平面边界曲线围成的区域生成与无孔薄壁曲面结构相交的柱体，多个孔洞时生成多个柱体，同时优化孔洞位置的情况下，选取柱体拉伸角度作为孔洞位置设计变量；(e)在有限元分析软件的前处理器或CAD建模软件中，利用无孔薄壁曲面结构与柱体之间的布尔差运算，从无孔薄壁曲面结构上去除位于柱体内部的区域，生成带孔的薄壁曲面结构，对于循环对称结构还需要再通过循环对称的方式生成带孔薄壁曲面结构的整体模型；这时带孔薄壁曲面结构上的孔周边界曲线通过无孔薄壁曲面结构与相交柱面之间的布尔差运算实现隐式表达；(f)采用壳单元划分带孔薄壁曲面的有限元网格，并根据实际工程背景和设计要求施加不同方向上的边界约束和拉力、扭矩、温度载荷；(g)选取孔周最大等效应力最小为优化目标，带孔薄壁曲面结构的曲面面积作为约束函数，约束函数的上限为采用初始孔洞时带孔薄壁曲面结构的曲面面积；根据初始孔形设定设计变量初始值，设计变量的变化范围在保证优化过程中带孔薄壁曲面结构的拓扑结构不变的前提下设定；建立带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计的优化模型；(h)设定遗传算法中种群大小、随机种子产生概率、交叉概率、变异概率、遗传代数的参数，采用遗传算法进行优化迭代计算。本发明的有益效果是由于利用曲面与相交柱面之间的布尔差运算实现草图平面上的孔洞设计变量对薄壁曲面上孔洞形状与位置的控制，这时孔周边界曲线实际上通过给定曲面与相交柱面之间的联立方程实现了隐式表达，从而自动满足了优化迭代过程中孔周边界曲线始终位于给定的曲面结构上的设计要求。1)解决了带孔薄壁曲面上的孔洞优化设计的问题，有效提高了结构的综合性能。采用本发明方法后，实施例1中相同体积的带孔薄壁圆柱曲面片结构有限元模型的最大等效应力由初始的574. 30MPa降低到四8. 89MPa,降幅为48. 0%;实施例2中相同体积的带循环对称分布槽孔的凹形旋转薄壁曲面结构有限元模型的最大等效应力由初始的 257. 444MPa 降低到 117. 206MPa,降幅为 54. 8% 02)可以同时实现带孔薄壁曲面的孔洞形状与位置协同优化设计。采用本发明方法协同优化设计带孔薄壁曲面的孔洞形状与位置后，实施例3中相同体积的带冷却孔的涡轮导向器薄壁内环结构有限元模型的孔周最大等效应力由初始的 187. 703MPa 降低到 110. 792MPa,降幅为 41. 0%o
3)可以适用到含多个不同形状特征的孔洞的复杂带孔薄壁曲面结构的孔形优化设计问题中。采用本发明方法后，实施例4中相同体积的多孔受扭柱筒薄壁曲面结构有限元模型的最大等效应力由初始的324. 935MPa降低到205. 803MPa，降幅为36. 7%。下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图1是本发明方法实例1中的草图平面及设计变量定义示意图。图2是本发明方法实例2中的草图平面及设计变量定义示意图。图3是本发明方法实例3中的草图平面及设计变量定义示意图。图4(a)、(b)、(c)分别是本发明方法实例4中的三个草图平面及其上设计变量定义示意图。
具体实施例方式以下实施例参照附图1 4。实施例1 带孔薄壁圆柱曲面片上的孔洞形状隐式表达优化设计一个薄壁圆柱曲面片结构上有一个位于中心的孔洞，其基本参数如表1所示。该面片的轴向边界上承受了轴向400kN的载荷，周向边界上承受了周向SOOkN的载荷。表 权利要求
1. 一种带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法，其特征在于包括下述步骤(a)在有限元分析软件的前处理器或CAD建模软件中，建立无孔薄壁曲面结构的几何模型，对于循环对称结构建立无孔单胞几何模型；(b)根据设计要求确定每个孔洞在带孔薄壁曲面结构上的位置分布，每个孔洞需要设定独立的草图平面，通过设定原点位置和坐标轴方向建立各个孔洞对应的草图平面；(c)根据设计要求，采用椭圆、样条、B样条或者NURBUS曲线的形式绘制带孔薄壁曲面结构上的孔洞对应的位于草图平面上的平面边界曲线，选用椭圆平面边界曲线的长短轴半径，样条、B样条或者NURBS平面边界曲线的控制顶点坐标作为孔形设计变量，同时优化孔洞位置时，选用平面边界曲线中心在草图平面上的坐标作为孔洞位置设计变量；(d)采用垂直拉伸，即垂直于草图平面的方式拉伸，或沿与草图平面按照要求角度的方向拉伸，由带孔薄壁曲面结构上的孔洞在相应的草图平面上对应的平面边界曲线围成的区域生成与无孔薄壁曲面结构相交的柱体，多个孔洞时生成多个柱体，同时优化孔洞位置的情况下，选取柱体拉伸角度作为孔洞位置设计变量；(e)在有限元分析软件的前处理器或CAD建模软件中，利用无孔薄壁曲面结构与柱体之间的布尔差运算，从无孔薄壁曲面结构上去除位于柱体内部的区域，生成带孔的薄壁曲面结构，对于循环对称结构还需要再通过循环对称的方式生成带孔薄壁曲面结构的整体模型；这时带孔薄壁曲面结构上的孔周边界曲线通过无孔薄壁曲面结构与相交柱面之间的布尔差运算实现隐式表达；(f)采用壳单元划分带孔薄壁曲面的有限元网格，并根据实际工程背景和设计要求施加不同方向上的边界约束和拉力、扭矩、温度载荷；(g)选取孔周最大等效应力最小为优化目标，带孔薄壁曲面结构的曲面面积作为约束函数，约束函数的上限为采用初始孔洞时带孔薄壁曲面结构的曲面面积；根据初始孔形设定设计变量初始值，设计变量的变化范围在保证优化过程中带孔薄壁曲面结构的拓扑结构不变的前提下设定；建立带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计的优化模型；(h)设定遗传算法中种群大小、随机种子产生概率、交叉概率、变异概率、遗传代数的参数，采用遗传算法进行优化迭代计算。
全文摘要
本发明公开了一种带孔薄壁曲面结构的孔洞隐式表达优化设计方法，用于解决现有的带孔薄壁曲面结构的孔洞优化设计方法难以直接采用解析表达式表达的技术问题。技术方案是利用曲面与相交柱面之间的布尔差运算实现草图平面上的孔洞设计变量对薄壁曲面上孔洞形状与位置的控制，这时孔周边界曲线实际上通过给定曲面与相交柱面之间的联立方程实现了隐式表达。从而自动满足了优化迭代过程中孔周边界曲线始终位于给定的曲面结构上的设计要求。
文档编号G06F17/50GK102368282SQ201110366548
公开日2012年3月7日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者张卫红, 朱继宏, 李晓辉, 王丹, 谷小军 申请人:西北工业大学