申请/专利权人：北京航空航天大学

申请日：2024-04-11

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN118248268A

主分类号：G16C60/00

分类号：G16C60/00;G06F30/23;G06T17/20;G06F17/13;G06F111/10;G06F111/04;G06F111/06;G06F111/08;G06F113/08;G06F119/02;G06F119/14;G06F119/18

优先权：

专利状态码：在审-公开

法律状态：2024.06.25#公开

摘要：本发明公开了一种基于比例‑积分‑微分控制的序贯可靠性跨尺度拓扑优化设计方法。该方法针对跨尺度结构，首先，基于区间模型评估复杂不确定性影响下的结构可靠性，构建可靠性跨尺度拓扑优化设计模型；其次，基于序贯策略将可靠性和拓扑优化嵌套的优化模型解耦为多个确定性的拓扑优化，引入比例‑积分‑微分控制器对约束移动进行调控；最后，通过跨尺度结构的可靠性拓扑优化设计验证所提方法的有效性。本发明在进行跨尺度拓扑优化设计的过程中合理表征和量化了载荷方向、载荷位置和载荷幅值的不确定性的综合影响，引入比例‑积分‑微分控制实现序贯可靠性拓扑优化中约束的调控，可实现有效减重，并确保设计本身兼顾安全性和经济性。

主权项：1.一种基于比例-积分-微分控制的序贯可靠性跨尺度拓扑优化设计方法，其特征在于，用于材料结构一体的拓扑优化设计中，实现载荷位置、载荷方向、载荷幅值和材料属性的不确定性影响下的跨尺度结构受集中和分布载荷作用以及固支、简支边界约束的可靠性跨尺度拓扑优化设计，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：面向增材制造跨尺度结构，给定宏观结构设计域形状、细观单胞设计域形状、载荷以及位移边界条件，确定宏观和细观层面的设计域与非设计域，构建双尺度拓扑优化模型；以宏观结构的体积分数为优化目标，以载荷位置、载荷方向、载荷幅值和材料属性影响下结构位移可靠性和细观单胞的体积分数为不等式约束条件，以宏细观有限元平衡方程为等式约束条件，以双尺度水平集函数的径向基函数系数为设计变量，建立复杂不确定性影响下含可靠性约束的双尺度拓扑优化模型；步骤二：基于序贯策略将可靠性嵌套的双尺度拓扑优化模型转化为多个确定性位移约束的双尺度拓扑优化模型，获得可靠性约束和双尺度拓扑优化解耦的优化模型，确定性拓扑优化中位移约束值由PID控制器基于前一次迭代过程的位移约束、当前迭代过程中实际位移区间和当前迭代过程的可靠度特征距离决定；步骤三：以名义状态的载荷边界条件和位移边界条件为约束进行结构确定性有限元分析；基于有限元分析结果和当前边界条件进行灵敏度分析，基于形状导数原理计算确定性双尺度优化模型中宏观体积分数、细观体积分数和宏观位移关于水平集函数伪时间的灵敏度信息，采用优化准则法求解优化模型，基于确定性双尺度优化模型的灵敏度信息实现设计变量的更新，通过设计变量的更新实现水平集函数的演化进而模拟结构边界的改变；步骤四：如果当前设计满足许用位移约束和细观单胞体积分数约束并且满足宏观体积分数迭代的稳定性条件，则当前确定性拓扑优化迭代结束，将当前拓扑优化的结果作为确定性拓扑优化的优化结果，执行步骤五至步骤六；如果不满足位移约束条件或者细观体积分数约束条件或者迭代不稳定，则重复步骤三至步骤四；步骤五：进行结构不确定性有限元分析，基于非概率区间模型进行复杂不确定性的表征和量化，针对非线性程度较弱的载荷幅值和材料属性的不确定性带来的影响，采用区间顶点法进行量化，计算位移区间上下界；针对非线性程度较强的载荷位置和载荷方向的不确定性带来的影响，采用配点法进行量化，计算位移区间上下界；步骤六：基于当前结构的位移响应区间和许用位移区间评估结构可靠度，采用区间干涉模型进行可靠度度量，以安全区域和全部可能面积的面积比作为可靠度指标定性并定量地评估当前结构的可靠度；如果满足可靠度约束条件，则当前序贯迭代终止，拓扑优化结果作为可靠性双尺度拓扑优化的设计结果；如果不满足可靠度约束条件，则重复步骤二至步骤五。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 北京航空航天大学 一种基于比例-积分-微分控制的序贯可靠性跨尺度拓扑优化设计方法

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