技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種組件外形設(shè)計(jì)方法。特別涉及一種基于KS函數(shù)的整體式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組件外形設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

參照?qǐng)D1。實(shí)際生產(chǎn)中，很多工業(yè)產(chǎn)品都采用多組件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)這一設(shè)計(jì)模式，如航空航天飛行器、船舶、汽車和機(jī)械等。由于其復(fù)雜的服役狀況和苛刻的性能要求，多組件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力學(xué)性能設(shè)計(jì)問題在航空航天飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域尤為突出。在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮結(jié)構(gòu)自身的構(gòu)型對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，還需要考慮組件的擺放對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。為了保證飛行器的平衡與穩(wěn)定性并避免設(shè)備或結(jié)構(gòu)的損壞，需要對(duì)這兩種布局問題同時(shí)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本工作將多組件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同布局優(yōu)化設(shè)計(jì)稱為整體式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參照?qǐng)D2。文獻(xiàn)1“Liang?Xia,Jihong?Zhu,Weihong?Zhang,Piotr?Breitkopf,An?implicit?model?for?the?integrated?optimization?of?component?layout?and?structure?topology.257(2013)87-102”公開了一種固定網(wǎng)格下基于隱函數(shù)描述的組件布局協(xié)同拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，這種方法將設(shè)計(jì)域劃分為規(guī)則的固定網(wǎng)格，采用隱函數(shù)描述組件外形，組件嵌入式分布到設(shè)計(jì)域網(wǎng)格中，同時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)自身的材料分布和組件的位置分布，實(shí)現(xiàn)了多組件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體式優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得該系統(tǒng)的最優(yōu)性能。圓形的組件邊界1采用隱函數(shù)Φ(x,y)＝r²-x²-y²描述，即若Φ(x,y)＝0，則點(diǎn)(x,y)在圓形的組件邊界1上；若Φ(x,y)＞0，則點(diǎn)(x,y)在圓形組件的內(nèi)部；若Φ(x,y)＜0，則點(diǎn)(x,y)在圓形組件的外部。將設(shè)計(jì)域劃分為固定的矩形網(wǎng)格，組件內(nèi)部的單元2的四個(gè)頂點(diǎn)都在圓的內(nèi)部，表示組件內(nèi)部的單元2在圓形組件內(nèi)部；組件外部的單元3在圓形組件外部；被組件邊界割開的單元4被圓形組件的邊界割開。通過設(shè)計(jì)域的網(wǎng)格相對(duì)組件邊界的位置設(shè)置單元的材料屬性，即對(duì)組件內(nèi)部的單元2賦組件材料，對(duì)組件外部的單元3賦結(jié)構(gòu)材料或空材料，被組件邊界割開的單元4的材料屬性根據(jù)該單元被組件邊界割開的面積取組件材料和結(jié)構(gòu)材料的插值。

參照?qǐng)D3。文獻(xiàn)公開了使用R函數(shù)方法構(gòu)造的隱函數(shù)描述復(fù)雜組件的外形。對(duì)于外形復(fù)雜的組件，將組件區(qū)域劃分為n個(gè)簡(jiǎn)單的子區(qū)域，對(duì)這n個(gè)子區(qū)域作布爾操作(布爾交、布爾并和布爾非)，可以得到該組件區(qū)域。每個(gè)子區(qū)域的隱函數(shù)已知，分別為Φ₁,Φ₂,...,Φ_n，對(duì)這n個(gè)隱函數(shù)Φ₁,Φ₂,...,Φ_n作相對(duì)應(yīng)的R函數(shù)操作，可以得到該組件的隱函數(shù)Φ。

參照?qǐng)D4。文獻(xiàn)公開的方法雖然能夠給出復(fù)雜組件邊界的隱函數(shù)，但是會(huì)產(chǎn)生多余邊界。凸字形組件的上半部分矩形子區(qū)域5和凸字形組件的下半部分矩形子區(qū)域6都是矩形，假設(shè)其隱函數(shù)分別為Φ₁,Φ₂，邊界分別為Γ₁和Γ₂，對(duì)這兩個(gè)子區(qū)域作布爾并，得到該凸字形組件，該凸字形組件的隱函數(shù)可以由得到。凸字形組件上下兩部分矩形子區(qū)域的重合邊界7為Γ＝Γ₁∩Γ₂，即Φ₁＝0且Φ₂＝0，則在邊界Γ上，有因此，用R函數(shù)構(gòu)造組件邊界的隱函數(shù)會(huì)產(chǎn)生多余邊界Γ。

參照?qǐng)D5。在固定網(wǎng)格下的整體式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，被凸字形組件的多余邊界割開的單元8在凸字形組件的內(nèi)部，根據(jù)單元材料屬性的設(shè)置方法，應(yīng)該給該單元賦組件材料。但是由于采用R函數(shù)構(gòu)造組件的隱函數(shù)時(shí)引入了多余邊界，判斷被凸字形組件的多余邊界割開的單元8被組件邊界割開，實(shí)際計(jì)算中設(shè)置單元的材料為組件材料和結(jié)構(gòu)材料的插值。這樣會(huì)導(dǎo)致該優(yōu)化問題的材料模型和實(shí)際的模型不符，導(dǎo)致優(yōu)化無法進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容