專利名稱：帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞隱式表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，特別是涉及一種帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞隱式表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
航空航天飛行器動力裝備設(shè)計(jì)中，存在大量維修孔、工藝孔、冷卻孔等薄壁曲面結(jié)構(gòu)上的孔洞優(yōu)化設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用實(shí)例?？锥吹拇嬖冢豢杀苊鈺?dǎo)致孔周應(yīng)力集中等問題， 直接影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命。另外，孔洞大小的選取與結(jié)構(gòu)的重量直接相關(guān)，對于宇航結(jié)構(gòu)減重尤為重要?？锥磧?yōu)化設(shè)計(jì)過程中一般是首先采用擬合曲線、解析方程等方法建立孔洞邊界曲線的幾何參數(shù)方程，其次選用參數(shù)方程的控制點(diǎn)坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，通過修改這些控制點(diǎn)的位置，優(yōu)化孔洞邊界的擬合曲線。文獻(xiàn) 1 “ Shape optimal design using B-splines. Braibant V and Fleury, C. Computermethods in applied mechanics and engineering，1984，44 :247-267.，，公幵了一種采用B樣條曲線擬合孔周曲線，進(jìn)行孔形優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。文獻(xiàn)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. ”公開了一種采用NURBS曲線擬合孔周曲線，進(jìn)行孔形優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。對于平面上的孔洞設(shè)計(jì)問題，這種方法可以實(shí)現(xiàn)。但對于空間問題，即使控制點(diǎn)的修改始終保證位于給定的空間曲面上，但對應(yīng)的擬合曲線仍無法保證也位于給定的曲面上。文獻(xiàn) 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. ”公開了一種采用不同孔周曲線解析方程組合參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行孔形優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。對于平面上的孔洞設(shè)計(jì)問題， 這種方法較簡便。但對于空間問題，孔周曲線變化十分復(fù)雜，一般較難直接采用解析表達(dá)式表達(dá)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞優(yōu)化設(shè)計(jì)方法難以直接采用解析表達(dá)式表達(dá)的不足，本發(fā)明提供一種帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞隱式表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法利用無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)與相交柱面之間的布爾差運(yùn)算實(shí)現(xiàn)草圖平面上的孔洞設(shè)計(jì)變量對帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上孔洞形狀與位置的控制，這時帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上的孔周邊界曲線實(shí)際上通過給定曲面與相交柱面之間的布爾差運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了隱式表達(dá)，從而可以自動滿足優(yōu)化迭代過程中孔周邊界曲線始終位于給定的曲面結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)要求。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞隱式
3表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟(a)在有限元分析軟件的前處理器或CAD建模軟件中，建立無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的幾何模型，對于循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)建立無孔單胞幾何模型；(b)根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定每個孔洞在帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上的位置分布，每個孔洞需要設(shè)定獨(dú)立的草圖平面，通過設(shè)定原點(diǎn)位置和坐標(biāo)軸方向建立各個孔洞對應(yīng)的草圖平面；(C)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用橢圓、樣條、B樣條或者NURBUS曲線的形式繪制帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上的孔洞對應(yīng)的位于草圖平面上的平面邊界曲線，選用橢圓平面邊界曲線的長短軸半徑，樣條、B樣條或者NURBS平面邊界曲線的控制頂點(diǎn)坐標(biāo)作為孔形設(shè)計(jì)變量，同時優(yōu)化孔洞位置時，選用平面邊界曲線中心在草圖平面上的坐標(biāo)作為孔洞位置設(shè)計(jì)變量；(d)采用垂直拉伸，即垂直于草圖平面的方式拉伸，或沿與草圖平面按照要求角度的方向拉伸，由帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上的孔洞在相應(yīng)的草圖平面上對應(yīng)的平面邊界曲線圍成的區(qū)域生成與無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)相交的柱體，多個孔洞時生成多個柱體，同時優(yōu)化孔洞位置的情況下，選取柱體拉伸角度作為孔洞位置設(shè)計(jì)變量；(e)在有限元分析軟件的前處理器或CAD建模軟件中，利用無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)與柱體之間的布爾差運(yùn)算，從無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上去除位于柱體內(nèi)部的區(qū)域，生成帶孔的薄壁曲面結(jié)構(gòu)，對于循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)還需要再通過循環(huán)對稱的方式生成帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的整體模型；這時帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上的孔周邊界曲線通過無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)與相交柱面之間的布爾差運(yùn)算實(shí)現(xiàn)隱式表達(dá)；(f)采用殼單元劃分帶孔薄壁曲面的有限元網(wǎng)格，并根據(jù)實(shí)際工程背景和設(shè)計(jì)要求施加不同方向上的邊界約束和拉力、扭矩、溫度載荷；(g)選取孔周最大等效應(yīng)力最小為優(yōu)化目標(biāo)，帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的曲面面積作為約束函數(shù)，約束函數(shù)的上限為采用初始孔洞時帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的曲面面積；根據(jù)初始孔形設(shè)定設(shè)計(jì)變量初始值，設(shè)計(jì)變量的變化范圍在保證優(yōu)化過程中帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的前提下設(shè)定；建立帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞隱式表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型；(h)設(shè)定遺傳算法中種群大小、隨機(jī)種子產(chǎn)生概率、交叉概率、變異概率、遺傳代數(shù)的參數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算。本發(fā)明的有益效果是由于利用曲面與相交柱面之間的布爾差運(yùn)算實(shí)現(xiàn)草圖平面上的孔洞設(shè)計(jì)變量對薄壁曲面上孔洞形狀與位置的控制，這時孔周邊界曲線實(shí)際上通過給定曲面與相交柱面之間的聯(lián)立方程實(shí)現(xiàn)了隱式表達(dá)，從而自動滿足了優(yōu)化迭代過程中孔周邊界曲線始終位于給定的曲面結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)要求。1)解決了帶孔薄壁曲面上的孔洞優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題，有效提高了結(jié)構(gòu)的綜合性能。采用本發(fā)明方法后，實(shí)施例1中相同體積的帶孔薄壁圓柱曲面片結(jié)構(gòu)有限元模型的最大等效應(yīng)力由初始的574. 30MPa降低到四8. 89MPa,降幅為48. 0%;實(shí)施例2中相同體積的帶循環(huán)對稱分布槽孔的凹形旋轉(zhuǎn)薄壁曲面結(jié)構(gòu)有限元模型的最大等效應(yīng)力由初始的 257. 444MPa 降低到 117. 206MPa,降幅為 54. 8% 02)可以同時實(shí)現(xiàn)帶孔薄壁曲面的孔洞形狀與位置協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用本發(fā)明方法協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)帶孔薄壁曲面的孔洞形狀與位置后，實(shí)施例3中相同體積的帶冷卻孔的渦輪導(dǎo)向器薄壁內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)有限元模型的孔周最大等效應(yīng)力由初始的 187. 703MPa 降低到 110. 792MPa,降幅為 41. 0%o
3)可以適用到含多個不同形狀特征的孔洞的復(fù)雜帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔形優(yōu)化設(shè)計(jì)問題中。采用本發(fā)明方法后，實(shí)施例4中相同體積的多孔受扭柱筒薄壁曲面結(jié)構(gòu)有限元模型的最大等效應(yīng)力由初始的324. 935MPa降低到205. 803MPa，降幅為36. 7%。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明方法實(shí)例1中的草圖平面及設(shè)計(jì)變量定義示意圖。圖2是本發(fā)明方法實(shí)例2中的草圖平面及設(shè)計(jì)變量定義示意圖。圖3是本發(fā)明方法實(shí)例3中的草圖平面及設(shè)計(jì)變量定義示意圖。圖4(a)、(b)、(c)分別是本發(fā)明方法實(shí)例4中的三個草圖平面及其上設(shè)計(jì)變量定義示意圖。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例參照附圖1 4。實(shí)施例1 帶孔薄壁圓柱曲面片上的孔洞形狀隱式表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)一個薄壁圓柱曲面片結(jié)構(gòu)上有一個位于中心的孔洞，其基本參數(shù)如表1所示。該面片的軸向邊界上承受了軸向400kN的載荷，周向邊界上承受了周向SOOkN的載荷。表 權(quán)利要求
1. 一種帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞隱式表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括下述步驟(a)在有限元分析軟件的前處理器或CAD建模軟件中，建立無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的幾何模型，對于循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)建立無孔單胞幾何模型；(b)根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定每個孔洞在帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上的位置分布，每個孔洞需要設(shè)定獨(dú)立的草圖平面，通過設(shè)定原點(diǎn)位置和坐標(biāo)軸方向建立各個孔洞對應(yīng)的草圖平面；(c)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用橢圓、樣條、B樣條或者NURBUS曲線的形式繪制帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上的孔洞對應(yīng)的位于草圖平面上的平面邊界曲線，選用橢圓平面邊界曲線的長短軸半徑，樣條、B樣條或者NURBS平面邊界曲線的控制頂點(diǎn)坐標(biāo)作為孔形設(shè)計(jì)變量，同時優(yōu)化孔洞位置時，選用平面邊界曲線中心在草圖平面上的坐標(biāo)作為孔洞位置設(shè)計(jì)變量；(d)采用垂直拉伸，即垂直于草圖平面的方式拉伸，或沿與草圖平面按照要求角度的方向拉伸，由帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上的孔洞在相應(yīng)的草圖平面上對應(yīng)的平面邊界曲線圍成的區(qū)域生成與無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)相交的柱體，多個孔洞時生成多個柱體，同時優(yōu)化孔洞位置的情況下，選取柱體拉伸角度作為孔洞位置設(shè)計(jì)變量；(e)在有限元分析軟件的前處理器或CAD建模軟件中，利用無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)與柱體之間的布爾差運(yùn)算，從無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上去除位于柱體內(nèi)部的區(qū)域，生成帶孔的薄壁曲面結(jié)構(gòu)，對于循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)還需要再通過循環(huán)對稱的方式生成帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的整體模型；這時帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)上的孔周邊界曲線通過無孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)與相交柱面之間的布爾差運(yùn)算實(shí)現(xiàn)隱式表達(dá)；(f)采用殼單元劃分帶孔薄壁曲面的有限元網(wǎng)格，并根據(jù)實(shí)際工程背景和設(shè)計(jì)要求施加不同方向上的邊界約束和拉力、扭矩、溫度載荷；(g)選取孔周最大等效應(yīng)力最小為優(yōu)化目標(biāo)，帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的曲面面積作為約束函數(shù)，約束函數(shù)的上限為采用初始孔洞時帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的曲面面積；根據(jù)初始孔形設(shè)定設(shè)計(jì)變量初始值，設(shè)計(jì)變量的變化范圍在保證優(yōu)化過程中帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的前提下設(shè)定；建立帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞隱式表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型；(h)設(shè)定遺傳算法中種群大小、隨機(jī)種子產(chǎn)生概率、交叉概率、變異概率、遺傳代數(shù)的參數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞隱式表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，用于解決現(xiàn)有的帶孔薄壁曲面結(jié)構(gòu)的孔洞優(yōu)化設(shè)計(jì)方法難以直接采用解析表達(dá)式表達(dá)的技術(shù)問題。技術(shù)方案是利用曲面與相交柱面之間的布爾差運(yùn)算實(shí)現(xiàn)草圖平面上的孔洞設(shè)計(jì)變量對薄壁曲面上孔洞形狀與位置的控制，這時孔周邊界曲線實(shí)際上通過給定曲面與相交柱面之間的聯(lián)立方程實(shí)現(xiàn)了隱式表達(dá)。從而自動滿足了優(yōu)化迭代過程中孔周邊界曲線始終位于給定的曲面結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)要求。
文檔編號G06F17/50GK102368282SQ201110366548
公開日2012年3月7日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者張衛(wèi)紅, 朱繼宏, 李曉輝, 王丹, 谷小軍 申請人:西北工業(yè)大學(xué)