一種基于結(jié)構(gòu)分解的大型構(gòu)件動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及大型復(fù)雜構(gòu)件的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于結(jié)構(gòu)分解的 大型構(gòu)件動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)現(xiàn)階段工業(yè)化的蓬勃發(fā)展，一些更加大型和復(fù)雜的重載設(shè)備逐漸出現(xiàn)在 我們的視線中，例如:大型重載的數(shù)控機(jī)床、大型掘進(jìn)機(jī)和采煤機(jī)、大噸位的鍛造機(jī)W及大 型高伸縮行程的吊車和起重機(jī)等。運(yùn)些設(shè)備都是由一些大型復(fù)雜的零部件組合而成，運(yùn)些 大型結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)特性將會(huì)直接影響整個(gè)設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能。因此，針對(duì)于我國(guó)目前在工程 應(yīng)用中大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題一直是目前的研究熱點(diǎn)。
[0003] 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是隨著最優(yōu)化方法的不斷發(fā)展和改善逐漸得W發(fā)展。近些年來(lái)，在 結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)趨向于采用接近實(shí)際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型模擬大型結(jié)構(gòu)系 統(tǒng)，由于設(shè)計(jì)變量數(shù)目大，研究新的有效的準(zhǔn)則優(yōu)化方法受到重視，但仍有如何去解決針對(duì) 各種特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題建立相應(yīng)的公式，解決解析推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題;再是使 用大型系統(tǒng)的分解優(yōu)化方法，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可W按子結(jié)構(gòu)分解或者進(jìn)行多級(jí)分解優(yōu) 化，對(duì)于多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)可W按學(xué)科分解優(yōu)化。分解算法的關(guān)鍵在于建立各個(gè)子問(wèn)題之 間的禪合關(guān)系，比如通過(guò)使用最優(yōu)解對(duì)參數(shù)的靈敏度和采用線性分解等法建立起禪合關(guān) 系，使得子問(wèn)題的解相容，從而保證迭代收斂。
[0004] 特別是針對(duì)于復(fù)雜重載大型的機(jī)械結(jié)構(gòu)零件，采用基于結(jié)構(gòu)分解的多目標(biāo)動(dòng)態(tài)結(jié) 構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對(duì)于準(zhǔn)確找到整個(gè)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案是一種快速而有效的方法。
[0005] 現(xiàn)階段我國(guó)大型重載設(shè)備在作業(yè)過(guò)程中由于自身的動(dòng)態(tài)性能(包括剛度、強(qiáng)度、阻 尼和振動(dòng)特性等)不足或不匹配而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備自身出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞、結(jié)構(gòu)變形、振動(dòng)劇烈或 控制效果不理想，最終導(dǎo)致整個(gè)作業(yè)任務(wù)的沒(méi)有達(dá)到既定目標(biāo)和失敗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于結(jié)構(gòu)分解的大型構(gòu)件動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方 法，根據(jù)已知的邊界載荷和約束的前提下，建立起綜合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)流程，深入研究= 維實(shí)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化技術(shù)，完善優(yōu)化算法的魯棒性。
[0007] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：
[000引一種基于結(jié)構(gòu)分解的大型構(gòu)件動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，
[0009] 步驟1:在=維建模軟件中，建立大型構(gòu)件的幾何模型，識(shí)別構(gòu)成結(jié)構(gòu)件的外部框 架尺寸變量，識(shí)別內(nèi)部組成單元的基本樣式和尺寸變量；
[0010] 步驟2:對(duì)結(jié)構(gòu)件的外部框架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，同時(shí)對(duì)內(nèi)部的組成單元進(jìn)行尺寸優(yōu) 化，得到尺寸數(shù)據(jù)；
[0011] 步驟3:將優(yōu)化后的尺寸數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Isight-FD軟件中，根據(jù)約束條件和目標(biāo)函數(shù) 分別對(duì)外部框架和內(nèi)部組成單元的不同組合W及不同尺寸配置進(jìn)行優(yōu)化迭代分析，輸出優(yōu) 化結(jié)果。
[0012] 所述識(shí)別構(gòu)成結(jié)構(gòu)件的外部框架尺寸變量的過(guò)程為將結(jié)構(gòu)件的外部輪廓尺寸定 義為外部框架尺寸變量；
[0013] 所述識(shí)別內(nèi)部組成單元的基本樣式和尺寸變量過(guò)程為:將組成大型零件內(nèi)部的結(jié) 構(gòu)用不同樣式的基本單元體來(lái)進(jìn)行填充，再針對(duì)于每一種基本單元體不同部位的尺寸進(jìn)行 變量定義，基本單元體的樣式即為內(nèi)部組成單元的基本樣式，基本單元體的尺寸變量即為 內(nèi)部組成單元的尺寸變量。
[0014] 所述對(duì)結(jié)構(gòu)件的外部框架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化采用變密度法：
[001引 Find:P=(Pl,P2，...，Pn)TeRn
[0016] Min:C(p)=F^ = X\X
[0017] S.T:F=KX 引 n抑=藝二 i 二 1
[0019] 0<Pmin<f?i< l，i = l，2,---,n
[0020] 其中，P為設(shè)計(jì)變量，表示材料的相對(duì)密度;n為大型構(gòu)件結(jié)構(gòu)離散成的單元總數(shù);C (P)是優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，表示大型構(gòu)件結(jié)構(gòu)的柔度，K為結(jié)構(gòu)的總體剛度矩陣，X為結(jié)構(gòu)的總體 位移向量，F(xiàn)為結(jié)構(gòu)所受的載荷向量，Vi為結(jié)構(gòu)單元的體積，V為大型構(gòu)件優(yōu)化后的體積，Vo為 大型構(gòu)件初始狀態(tài)的體積，Vmax為體積上限，f為體分比，Pmin為最小相對(duì)密度。
[0021] 所述對(duì)內(nèi)部的組成單元進(jìn)行尺寸優(yōu)化采用基于Kriging插值的目標(biāo)響應(yīng)面的方 法：
[0022] Find:X=[xiX2. . .Xn]T
[0023] Min:F(X)=W/fi'
[0024] S.T:g(xiX2. . .Xn) =fi-f/ <0
[0025] XER
[0026] 其中，W為被優(yōu)化結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，Xn為被優(yōu)化結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)變量，fi為優(yōu)化前結(jié)構(gòu) 的第一階固有頻率，fi'為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率，F(xiàn)(X)為目標(biāo)函數(shù)，表示被優(yōu)化結(jié) 構(gòu)件的質(zhì)量與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率之比。
[0027] 所述優(yōu)化迭代分析過(guò)程為：
[0028] 步驟1:根據(jù)設(shè)計(jì)要求將設(shè)計(jì)變量采用拉下方超立方的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到設(shè) 計(jì)空間內(nèi)的實(shí)驗(yàn)矩陣；
[0029] 步驟2:對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)矩陣進(jìn)行基于Kriging插值和目標(biāo)響應(yīng)面方法的優(yōu)化算法， 得到近似模型；
[0030] 步驟3:將近似模型隨機(jī)采樣，分別通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和近似計(jì)算，得到真實(shí)響應(yīng)值 和近似響應(yīng)值；
[0031 ]步驟4:將真實(shí)響應(yīng)值與近似響應(yīng)值進(jìn)行精度檢驗(yàn)，如果精度大于被優(yōu)化對(duì)象許用 精度，執(zhí)行步驟5;否則需要新增插值點(diǎn)作為樣本點(diǎn)，并更新近似模型樣本空間，返回步驟3;
[0032] 步驟5:使用近似模型代替仿真模型，并輸出優(yōu)化結(jié)果。
[0033] 所述約束條件為：
[0034] 結(jié)構(gòu)件優(yōu)化后的體積不大于給定的體積上限數(shù)值，即V(P)含Vmax,最小相對(duì)密度 Pmin在(0, I)之間；
[0035] 結(jié)構(gòu)件優(yōu)化后的基頻不小于原始結(jié)構(gòu)的基頻，即fV > fi。
[0036] 本發(fā)明具有W下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：
[0037] 本發(fā)明可W廣泛適用于類似大型重載復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的輕量化和減重設(shè)計(jì)，具有由 簡(jiǎn)入深，快速可靠的優(yōu)點(diǎn)，由于算法的魯棒性只需要少量的采樣點(diǎn)即可W找到滿足力學(xué)性 能要求的幾何結(jié)構(gòu)，為現(xiàn)階段大型重載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供了可靠的技術(shù)支持。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0039] 圖2是本發(fā)明的大型懸臂構(gòu)件針對(duì)其外部框架拓?fù)鋬?yōu)化的最優(yōu)材料分布圖；
[0040] 圖3是本發(fā)明的大型懸臂構(gòu)件針對(duì)不同內(nèi)部單元樣式和設(shè)計(jì)變量的尺寸優(yōu)化筋格 模型圖；
[0041 ]圖4是本發(fā)明的有限元分析位移云圖；
[0042] 圖5是本發(fā)明的優(yōu)化迭代分析流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0044] 如圖1所示為本發(fā)明的方法流程圖。
[0045] 步驟一，首先采用=維造型軟件建立起復(fù)雜零件的幾何模型；識(shí)別出構(gòu)成結(jié)構(gòu)件 的主要框架尺寸變量和組成內(nèi)部單元的基本樣式和尺寸變量。具體的識(shí)別方法為:將結(jié)構(gòu) 件的外部輪廓尺寸定義為框架尺寸變量，例如長(zhǎng)、寬、高和橫截面積的大小等。將組成大型 零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)用不同樣式的筋格(基本單元體)來(lái)進(jìn)行填充，例如:十字筋、米子筋、斜線 筋和太陽(yáng)筋等，詳見(jiàn)圖1。此外，針對(duì)于每一種筋格不同部位的尺寸進(jìn)行變量定義，例如:壁 厚、直徑和筋格大小等。運(yùn)些筋格的樣式和尺寸變量就被識(shí)別為結(jié)構(gòu)件內(nèi)部單元的基本樣 式和尺寸變量。
[0046] 步驟二，然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量最輕和基頻最高為目標(biāo)，在Hypermesh/optistruct 軟件中分別對(duì)結(jié)構(gòu)的外部框架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)內(nèi)部的組成單元進(jìn)行尺寸優(yōu)化。從而找到 最優(yōu)的材料分布路徑W及最佳的結(jié)構(gòu)單元尺寸配置。運(yùn)里面的拓?fù)鋬?yōu)化采用的是變密度的 方法，而尺寸優(yōu)化采用的是基于Kriging插值的目標(biāo)響應(yīng)面的方法，具體的優(yōu)化算法和優(yōu)化 原理詳見(jiàn)【具體實(shí)施方式】中內(nèi)容。
[0047] 步驟S，將步驟二中優(yōu)化后的所有尺寸數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Isight-FD軟件中，根據(jù)具體的 約束條件和目標(biāo)函數(shù)分別對(duì)外部框架和內(nèi)部單元的不同組合W及不同尺寸配置進(jìn)行優(yōu)化 迭代分析，從而找到整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的最優(yōu)解。運(yùn)里面采用商業(yè)優(yōu)化軟件進(jìn)行多目標(biāo)的 綜合迭代優(yōu)化。
[004引它將構(gòu)成大型重載設(shè)備的大件結(jié)構(gòu)分為外部和內(nèi)部?jī)蓚€(gè)部分，然后采用有限元分 析方法分別對(duì)運(yùn)兩個(gè)部分進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用具體的設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)，將對(duì)影響 整個(gè)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的重要因素量化，并采用性能優(yōu)越的迭代算法來(lái)進(jìn)行求解計(jì)算。運(yùn)樣，就 可W保證從組成結(jié)構(gòu)的外形也就是宏觀上的外部材料分布W及內(nèi)部的具體樣式也就是微 觀上的內(nèi)部細(xì)節(jié)所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的綜合性能，運(yùn)種方法易于操作，實(shí)用性強(qiáng)，計(jì)算時(shí) 采用S維建模軟件、Hyperworks/Optistruct和Isight-FD軟件進(jìn)行S維建模和協(xié)同優(yōu)化設(shè) 計(jì)工作。
[0049] 我們將復(fù)雜大件結(jié)構(gòu)劃分出外部框架部分和組成其整體的內(nèi)部單元，然后分別選 取他們的不同組合來(lái)進(jìn)行基于外部框架的有限元分析，從而形成數(shù)據(jù)庫(kù)。
[0050] 在上述組成大型復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)框架尺寸和基本單元樣式基礎(chǔ)上，通過(guò)選取最優(yōu) 的組合進(jìn)行特定約束和目標(biāo)函數(shù)的動(dòng)態(tài)特性分析，使得結(jié)構(gòu)無(wú)論是在外部的具體拓?fù)湫螒B(tài) 上，還是內(nèi)部的詳細(xì)構(gòu)成方面都具有最優(yōu)的力學(xué)性能。運(yùn)樣我們即在"微觀"和"宏觀"兩個(gè) 方面均考慮到了最終設(shè)計(jì)出來(lái)的大件結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性