帶有多種材料的拓?fù)鋬?yōu)化的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)領(lǐng)域涉及產(chǎn)生域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法，以及更確切地指使用有限元分析和多種材料類型優(yōu)化域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)用于多種目的，并且所需性能標(biāo)準(zhǔn)取決于結(jié)構(gòu)的所想要的使用和目的而廣泛變化。例如，對于飛機(jī)中的組件相比較于在橋梁中的組件，重量通常是更重要的標(biāo)準(zhǔn)。對于一定的形狀，分析方法可被用來創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如“I”形梁，其中已知的方程形成精確的模型用于了解結(jié)構(gòu)在確定的負(fù)載下將如何行為。然而，這些分析的方法對于許多復(fù)雜的形狀并不容易實(shí)施。近年來，帶有偏微分方程的有限元方法已經(jīng)被使用來幫助設(shè)計(jì)關(guān)于復(fù)雜形狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。有限元分析是一種數(shù)學(xué)方法，其將區(qū)域或面積分解成多個(gè)有限元，并且計(jì)算施加的負(fù)載將如何影響每個(gè)單元或節(jié)點(diǎn)。
[0003]在預(yù)研階段有限元分析被使用作初步設(shè)計(jì)工具。處于施加的負(fù)載下的通常的域能夠被分析，并且結(jié)果能夠在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中有所幫助。除了有限元分析的許多因素被使用來確定結(jié)構(gòu)的最終形狀，例如工藝性、美學(xué)性、成本等等，因此從有限元分析的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種被使用來幫助設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的工具。因?yàn)閷赡艿慕Y(jié)構(gòu)形狀建模來估計(jì)性能通常比生產(chǎn)和測試樣品更經(jīng)濟(jì)，所以有限元分析開始流行。多種多樣的應(yīng)力能夠被分析，例如應(yīng)變能、應(yīng)力、質(zhì)量、體積、溫度、位移、速度和加速度等等。
[0004]在一些實(shí)施例中，初始的域被確定并且被劃分成多個(gè)有限的單元。有限元分析從給定的負(fù)載向量計(jì)算至創(chuàng)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)變能，通過確定預(yù)先設(shè)定的材料類型是否應(yīng)該存在或不存在于每個(gè)單元。然而，對于優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的商業(yè)上可用的程序被限于單一的材料類型。由于許多產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)使用超過一種材料類型，對于每種材料類型的有限元分析必須單獨(dú)進(jìn)行。這限制了來確定并入多于一種材料類型的不同的特性的優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力。
[0005]因此，需要提出用于產(chǎn)生對于多種類型材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和方法。此外，需要提出對于多種類型材料同時(shí)優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和方法。而且，結(jié)合附圖與本發(fā)明的此背景，本實(shí)施例的其它的理想的特征和特點(diǎn)將從隨后的詳細(xì)說明和隨附的權(quán)利要求變得清楚的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種用于產(chǎn)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法被提出。本方法包括將問題約束輸入計(jì)算機(jī)，其中問題約束包括域、負(fù)載向量、目標(biāo)函數(shù)和多種材料類型。域被劃分成多個(gè)單元，其中單個(gè)的單元與一種材料類型相關(guān)聯(lián)，使得多種類型材料中的每一種與超過一個(gè)的單元相關(guān)聯(lián)。關(guān)于單元的單元變量被計(jì)算，并且計(jì)算機(jī)確定計(jì)算是否完全。如果計(jì)算不完全，則關(guān)于單元的單元變量的計(jì)算步驟被重復(fù)。如果計(jì)算是完全的，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被輸出。
[0007]根據(jù)另外的實(shí)施例，一種用于產(chǎn)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)被提出。此系統(tǒng)包括帶有非瞬時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀的媒介、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)被配置來接收來自輸入設(shè)備的問題約束的進(jìn)入，其中問題約束包括域、負(fù)載向量、目標(biāo)函數(shù)和多種材料類型。計(jì)算機(jī)也被配置來將域劃分成多個(gè)單元，其中單個(gè)的單元與一種材料類型相關(guān)聯(lián)，使得多種材料類型中的每一種與超過一個(gè)的單元相關(guān)聯(lián)。計(jì)算機(jī)迭代地計(jì)算關(guān)于單元的單元變量直至計(jì)算是完全的，并且由此計(jì)算機(jī)輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0008]本發(fā)明還提供了以下方案:
1.一種產(chǎn)生設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法，其中該方法包括下列步驟:
將問題約束輸入至計(jì)算機(jī)中，其中該問題約束包括域、負(fù)載向量、目標(biāo)函數(shù)以及多種材料類型；
將該域劃分成多個(gè)單元，其中單個(gè)的單元與一種材料類型相關(guān)聯(lián)，使得多種材料類型中的每種與超過一個(gè)的單元相關(guān)聯(lián)；
計(jì)算對于所述單元的單元變量；
確定該計(jì)算是否是完全的，并且如果計(jì)算不是完全的，重復(fù)對于所述單元的所述單元變量的計(jì)算；以及
如果所述計(jì)算是完全的，輸出該設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0009]2.根據(jù)方案I所述的方法，其中該目標(biāo)函數(shù)包括最小應(yīng)變能，并且其中確定所述計(jì)算是否是完全的進(jìn)一步包括確定對于所述單元的所述單元變量是否代表空值或滿值，并且所述最小應(yīng)變能的所述目標(biāo)函數(shù)是否被優(yōu)化。
[0010]3.根據(jù)方案I所述的方法，其中:
將所述問題約束輸入進(jìn)一步包括輸入包括最大可允許質(zhì)量的所需性能標(biāo)準(zhǔn)。
[0011]4.根據(jù)方案I所述的方法，其進(jìn)一步包括:
在計(jì)算所述單元變量之后，促使所述單元變量接近空值或滿值。
[0012]5.根據(jù)方案I所述的方法，其中該域包括三維，其中每個(gè)單元包括單元面以及其中:
將該域劃分成多個(gè)單元進(jìn)一步包括將該域劃分成多個(gè)單元，其中對于每個(gè)單元的所述單元面鄰接域邊界，或者鄰接代表不同的材料類型的所述單元的所述單元面。
[0013]6.根據(jù)方案I所述的方法，其中計(jì)算該單元變量進(jìn)一步包括計(jì)算質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0014]7.根據(jù)方案I所述的方法，其中輸入所述問題約束進(jìn)一步包括輸入三種或更多種材料類型。
[0015]8.根據(jù)方案I所述的方法，其中將域劃分成多個(gè)單元進(jìn)一步包括將每個(gè)單元與一種材料類型相關(guān)聯(lián)。
[0016]9.根據(jù)方案I所述的方法，其中將所述問題約束輸入所述計(jì)算機(jī)進(jìn)一步包括將所述問題約束輸入所述計(jì)算機(jī)的非瞬時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀媒介。
[0017]10.一種用于產(chǎn)生設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其包括:
計(jì)算機(jī)，其包括非瞬時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀媒介、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，以及其中該計(jì)算機(jī)被配置來:
從該輸入設(shè)備接收問題約束的輸入，其中該問題約束包括域、負(fù)載向量、目標(biāo)函數(shù)以及多種材料類型；
將域劃分成多個(gè)單元，其中單個(gè)的單元與在問題約束中輸入的一種材料類型相關(guān)聯(lián)，使得每種材料類型與超過一個(gè)單元相關(guān)聯(lián)；
迭代地計(jì)算對于所述單元的所述單元變量直至計(jì)算是完全的；以及在所述計(jì)算是完全的之后，輸出該設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0018]11.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該計(jì)算機(jī)進(jìn)一步被配置來確定所述計(jì)算是否是完全的，通過確定所述單元是否代表空值或滿值，以及該目標(biāo)函數(shù)是否被優(yōu)化。
[0019]12.根據(jù)方案11所述的系統(tǒng)，其中該目標(biāo)函數(shù)包括最小應(yīng)變能。
[0020]13.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中:
該問題約束進(jìn)一步包括所需性能標(biāo)準(zhǔn)，其中所需性能標(biāo)準(zhǔn)包括最大可允許質(zhì)量。
[0021]14.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該計(jì)算機(jī)進(jìn)一步被配置來分配基準(zhǔn)值至所述單元變量用于計(jì)算所述單元變量的第一次迭代，并且其中該基準(zhǔn)值對于與多種材料類型中的一種相關(guān)聯(lián)的每個(gè)單元是相同的。
[0022]15.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該計(jì)算機(jī)進(jìn)一步被配置來在計(jì)算所述單元變量之后，促使所述單元變量接近空值或滿值。
[0023]16.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該域包括三維，每個(gè)單元包括單元面，以及對于每個(gè)單元的所述單元面鄰接域邊界，或者鄰接與不同的材料類型相關(guān)聯(lián)的所述單元的所述單元面。
[0024]17.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中所述多種材料類型包括三種或更多種材料類型。
[0025]18.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)單元被分配至材料類型中的一種。
[0026]19.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該問題約束進(jìn)一步包括分配所述域的一部分至材料類型中的一種。
[0027]20.一種產(chǎn)生設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法，其中該方法包括下列步驟:
將問題約束輸入計(jì)算機(jī)，其中該問題約束包括域、負(fù)載向量、包括最小應(yīng)變能的目標(biāo)函數(shù)以及多種材料類型，和包括最大可允許質(zhì)量的所需性能標(biāo)準(zhǔn)；
將所述域劃分成多個(gè)單元，其中每個(gè)單元與所述多種材料類型中的一種相關(guān)聯(lián)，使得多種材料類型中的每一種與超過一個(gè)單元相關(guān)聯(lián)；
使用所述計(jì)算機(jī)對于每個(gè)單元計(jì)算單元變量，其中該單元變量是質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
促使該單元變量接近滿值或空值；
通過確定下列來確定所述計(jì)算是否是完全的:
對于每個(gè)單元的所述單元變量是否代表滿值或空值；以及該目標(biāo)函數(shù)是否已經(jīng)被最小化；
如果所述計(jì)算不是完全的，對于每個(gè)單元返回計(jì)算所述單元變量；以及如果所述計(jì)算是完全的，輸出該設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0028]示例性的實(shí)施例在下文中將結(jié)合下列附圖進(jìn)行描述，其中相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件，以及其中:
圖1是表示計(jì)算機(jī)的示例性實(shí)施例的框圖；
圖2是表示問題約束的示例性實(shí)施例的框圖； 圖3顯示帶有負(fù)載向量施加至車輪的機(jī)動(dòng)車輛的示例性實(shí)施例