申请/专利权人：华中科技大学

申请日：2021-12-21

公开（公告）日：2024-06-14

公开（公告）号：CN114254507B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.14#授权;2022.04.15#实质审查的生效;2022.03.29#公开

摘要：本发明属于固体力学技术领域，并公开了一种考虑均匀可制造性的压电执行器稳健性等几何拓扑优化方法及其应用，包括如下步骤：1基于腐蚀操作的密度分布函数拓扑材料分布描述模型；2基于非均匀有理B样条NURBS的压电材料等几何分析数值模型；3压电材料等效属性插值模型；4压电材料稳健性等几何拓扑优化模型；5稳健性等几何拓扑优化数值灵敏度分析。本发明提供的方法在进行等几何分析中引入稳健性等几何拓扑优化模型，能有效消除由局部单点连接铰链引起的关键问题，同时确保优化拓扑中的均匀可制造性。

主权项：1.一种压电执行器稳健性等几何拓扑优化方法，其特征在于，包括：S1、由等几何拓扑优化法得到关于带力学性质的控制设计变量ψ的密度分布函数，在该函数中引入腐蚀膨胀算子得到待设计压电材料的腐蚀密度分布函数Φeo、中间密度分布函数Φid和膨胀密度分布函数Φdo；并对每个压电单元的应变自由度和电压自由度进行线性插值，建立压电材料应变与电场的耦合方程，得到弹性刚度矩阵kuu、压电耦合矩阵kuφ和介电刚度矩阵kφφ；S2、在Φeo、Φid、Φdo与所述耦合方程之间的幂律关系中引入用于描述压电材料极化的极化设计变量取值为0或1，分别作为负极和正极，并引入惩罚机制，得到压电材料等效属性插值模型，以更新kuu、kuφ和kφφ；S3、以关于Φeo和Ψeo的第一目标函数、Φid和Ψid的第二目标函数以及Φdo和Ψdo的第三目标函数三者之和最小为总目标，以ψ和处于取值范围内，腐蚀、中间和膨胀拓扑分别满足全局方程，腐蚀、中间和膨胀拓扑三者的平均体积不超过Vmax和中间拓扑的体积不超过Vmax作为约束条件，构建得到稳健性等几何拓扑优化模型；其中，Ψeo为腐蚀极化连续函数，Ψid为中间极化连续函数，Ψdo为膨胀极化连续函数，u表示位移场，φ为电势，f为施加的外力，Vmax为最大物料消耗；上述全局方程的形式为Kuuu+Kuφφ＝f；分别建立总目标函数对ψ和的一阶导、所述更新后的Kuu和Kuφ分别对ψ和的一阶导、两种体积约束G1、G2分别对ψ和的一阶导；其中，G1为对腐蚀拓扑、中间拓扑和膨胀拓扑三者的平均值施加的体积约束，G2为仅在中间拓扑中施加的体积约束；S4、进行灵敏度分析，基于S3求得的一阶导，使用移动渐近线法以更替ψ和直至总目标函数收敛，得到优化后带力学性质的拓扑和极化拓扑和共同决定压电执行器拓扑结构；其中，所述稳健性等几何拓扑优化模型为： 其中，ψi，j为压电板表面两个参数方向ξ，η下的带力学性质的控制设计变量；为压电板表面两个参数方向ξ，η下的极化设计变量；n，m分别代表参数方向ξ，η上对应的控制点个数；J代表带惩罚机制和极化性质的压电材料目标函数，由一个带负号的输出位移定义即J＝-uout；u表示位移场；φ为电势；f为施加的外力；Vmax为最大物料消耗；ψmin为ψi，j的最小值，取1e-9以避免出现数值奇异；G1为对腐蚀拓扑、中间拓扑和膨胀拓扑的平均值施加的体积约束，G2为仅在中间拓扑中施加的体积约束，G2决定了压电执行器拓扑结构的设计。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 华中科技大学 一种压电执行器稳健性等几何拓扑优化方法及其应用

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