一种零件拓扑优化方法及系统-尊龙凯时官方app下载

文档序号:36393678发布日期:2023-12-15 13:40阅读:18来源:国知局


1.本发明涉及拓扑优化技术领域,特别涉及一种零件拓扑优化方法及系统



背景技术:

2.结构拓扑优化是在指定的设计区域内,给定荷载和位移边界条件,在一定的设计约束条件下,通过自动去除设计领域中低效的材料,为最优轻量级设计提供了一种实用的方法

使用拓扑优化方法,可以使设计人员摆脱经验设计从而更容易开发出新颖的

特殊的结构形式

3.simp 法创造性的将优化问题转变为材料的最优分布问题,极大简化了问题求解的复杂性,因其具有较高的计算效率和稳定性已成为当前发展相对成熟且应用最广的拓扑优化技术

4.凸轮传动的蝎形变形机器人是基于仿生机器人原理制造的机器人

凸轮传动的蝎形变形机器人主要仿生蛛形纲蝎目生物(统称蝎子)的身体结构,运动形态,来设计我们的机械结构

5.在现实中凸轮传动的蝎形变形机器人由于质量较大,材料利用率较低会导致在市场中竞争处于劣势

如何在不改变使用性能下减轻重量,提高材料利用率成为一个新的挑战



技术实现要素:

6.针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种零件拓扑优化方法及系统,旨在解决现有技术中,材料利用率低的技术问题

7.为了实现上述目的,本发明是通过如下技术方案来实现的:一种零件拓扑优化方法,包括以下步骤:基于零件参数建立第一三维模型;对所述第一三维模型进行网格划分,以得到网格模型,并基于所述零件的受力状态,对所述网格模型施加荷载和约束;对所述网格模型进行一次静力学分析,并基于以下优化模型对所述网格模型进行拓扑优化:;;;式中,,分别是材料体积约束函数和最小尺寸约束函数,d是设计变量向量,是所述设计变量向量d所属于的集合;基于所述拓扑优化结果对所述网格模型进行重建模,以得到第二三维模型

8.根据上述技术方案的一方面,基于以下优化模型对所述网格模型进行拓扑优化的步骤具体包括:基于以下优化模型求解最小尺寸约束下的柔度最小化的优化问题:;;;;;;;式中,r表示设计区域,j为结构最小柔度,f,u,
t

ε
分别为实体材料的体积密度

实际位移

纽曼边界上的面力和二阶线性应变张量,v为实体材料的单位体积,d为积分符号,q为整数,为狄利克雷边界上规定的位移,表示试探位移场,表示
heaviside
函数,表示整体组件的拓扑描述函数集;e表示各向同性的弹性模量,为实体材料的体积的约束上限值,表示距离约束函数,表示最大位移量,表示最小位移

9.根据上述技术方案的一方面,所述试探位移场的计算表达式为:;式中,表示在设计区域内的每一个节点,表示狄利克雷边界上的坐标点

10.根据上述技术方案的一方面,所述弹性模量的计算表达式为:;
式中,上标s表示单位节点,
p
为实体材料的泊松比,和分别为四阶单位张量和二阶单位张量,为函数和函数的卷积

11.根据上述技术方案的一方面,基于所述拓扑优化结果对所述网格模型进行重建模,以得到第二三维模型的步骤之后,所述方法还包括:对所述第二三维模型进行二次静力学分析,并将分析结果与所述一次静力学分析的结果进行比对,若差值满足预设范围则优化有效

12.根据上述技术方案的一方面,所述一次静力学分析或所述二次静力学分析的步骤具体包括:基于以下动力学方程,分析零件在固定载荷作用下的结构响应:;式中,
[m]
为系统质量矩阵,
[c]
为系统阻尼矩阵,
[k]
为系统刚度矩阵;f为外力,

和u分别表示系统加速度

速度及位移

[0013]
另一方面,本发明还提供了一种零件拓扑优化系统,包括:第一建模模块,用于基于零件参数建立第一三维模型;约束模块,用于对所述第一三维模型进行网格划分,以得到网格模型,并基于所述零件的受力状态,对所述网格模型施加荷载和约束;优化模块,用于对所述网格模型进行一次静力学分析,并基于以下优化模型对所述网格模型进行拓扑优化:;;;式中,,分别是材料体积约束函数和最小尺寸约束函数,d是设计变量向量,是所述设计变量向量d所属于的集合;第二建模模块,用于基于所述拓扑优化结果对所述网格模型进行重建模,以得到第二三维模型

[0014]
根据上述技术方案的一方面,所述优化模块具体用于:基于以下优化模型求解最小尺寸约束下的柔度最小化的优化问题:;
;;;;;式中,r表示设计区域,j为结构最小柔度,f,u,
t

ε
分别为实体材料的体积密度

实际位移

纽曼边界上的面力和二阶线性应变张量,v为实体材料的单位体积,d为积分符号,q为整数,为狄利克雷边界上规定的位移,表示试探位移场,表示
heaviside
函数,表示整体组件的拓扑描述函数集;e表示各向同性的弹性模量,为实体材料的体积的约束上限值,表示距离约束函数,表示最大位移量,表示最小位移

[0015]
根据上述技术方案的一方面,所述零件拓扑优化系统还包括:分析模块,用于对所述第二三维模型进行二次静力学分析,并将分析结果与所述一次静力学分析的结果进行比对,若差值满足预设范围则优化有效

[0016]
根据上述技术方案的一方面,所述优化模块或所述分析模块还用于:基于以下动力学方程,分析零件在固定载荷作用下的结构响应:;式中,
[m]
为系统质量矩阵,
[c]
为系统阻尼矩阵,
[k]
为系统刚度矩阵;f为外力,

和u分别表示系统加速度

速度及位移

[0017]
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:通过基于零件参数建立第一三维模型,并对第一三维模型进行网格划分,及施加荷载和约束,并通过优化模型对模型进行拓扑优化,得到优化后的第二三维模型,确保材料受力性能的前提下,很大程度上减少成本和减少材料浪费,从而提高材料利用率

附图说明
[0018]
本发明的上述与
/
或附加的方面与优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显与容易理解,其中:图1为本发明第一实施例中零件拓扑优化方法的流程图;图2为本发明第二实施例中零件拓扑优化系统的结构框图;主要元件符号说明:
第一建模模块
100、
约束模块
200、
优化模块
300、
第二建模模块
400。
具体实施方式
[0019]
为了便于理解本发明,下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述

附图中给出了本发明的多个实施例

但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例

相反地,提供这些实施例的目的是使本发明的公开内容更加透彻全面

[0020]
需要说明的是,当元件被称为“固设于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件

当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件

本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的

[0021]
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同

本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明

本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合

[0022]
便于理解地,凸轮传动的蝎形变形机器人的底板作用是承载整个机器重量和保护机器内部零件不被损坏

设于底板一侧的尾部底座作用是连接尾部机械机构和凸轮传动的蝎形变形机器人主体

当前凸轮传动的蝎形变形机器人底板和尾部底座大多数依赖于经验设计在相同功能下质量非最优性,以及针对凸轮传动的蝎形变形机器人底板和尾部底座拓扑优化设计研究的匮乏性

[0023]
在本实施例中,方案主要针对蝎形变形机器人的底板及尾部底座进行拓扑优化

[0024]
请参阅图1,所示为本发明第一实施例中的零件拓扑优化方法,包括以下步骤:步骤
s100
,基于零件参数建立第一三维模型

具体来说,在本实施例中,上述零件参数即常规的底板及尾部底座的形状尺寸参数等

[0025]
步骤
s200
,对所述第一三维模型进行网格划分,以得到网格模型,并基于所述零件的受力状态,对所述网格模型施加荷载和约束

具体来说,在本实施例中,将上述第一三维模型导入有限元分析软件,并对其进行网格划分,为保证网格有效性需要把网格细化

[0026]
在有限元分析软件中对模型施加载荷和约束时,由于底板主要受到上方凸轮传动的蝎形变形机器人的控制系统给予向下的重力,和在凸轮传动的蝎形变形机器人在工作过程中受到外界给予的重力

由于尾部底座与底板连接,因此对其与底板接触区域进行全约束

工作时会给尾部底座带来一定的顺时针的力矩

[0027]
步骤
s300
,对所述网格模型进行一次静力学分析,并基于以下优化模型对所述网格模型进行拓扑优化:;;;式中,,分别是材料体积约束函数和最小尺寸约束函数,d是设计变量向量,是所述设计变量向量d所属于的集合

[0028]
进一步地,在本实施例中,上述静力学分析主要分析固定载荷作用下的结构响应,观察分析对象在外力的作用下发生的形变

应变及应力等值变化情况,系统的动力学方程为:基于以下动力学方程,分析零件在固定载荷作用下的结构响应:;式中,
[m]
为系统质量矩阵,
[c]
为系统阻尼矩阵,
[k]
为系统刚度矩阵;f为外力,

和u分别表示系统加速度

速度及位移

具体来说,针对本实施例中的底板和尾部底座,在分析过程中系统速度及加速度为0,载荷恒定,其方程式可表示为:

[0029]
更进一步地,上述步骤
s300
中,基于上述静力学分析进行拓扑优化,凸轮传动的蝎形变形机器人底板和尾部底座采用变密度法的改良
simp。
以目标函数的最小尺寸约束的拓扑优化模型可被描述为:基于以下优化模型求解最小尺寸约束下的柔度最小化的优化问题:;;;;;;;式中,r表示设计区域,j为结构最小柔度,f,u,
t

ε
分别为实体材料的体积密度

实际位移

纽曼边界上的面力和二阶线性应变张量,v为实体材料的单位体积,d为积分符号,q为整数,为狄利克雷边界上规定的位移,表示试探位移场,表示
heaviside
函数,表示整体组件的拓扑描述函数集;e表示各向同性的弹性模量,为实体材料的体积的约束上限值,表示距离约束函数,表示最大位移量,表示最小位移

在本实施例中,上述q的取值为
2。
[0030]
具体来说,上述试探位移场的计算表达式为:
;式中,表示在设计区域内的每一个节点,表示狄利克雷边界上的坐标点

[0031]
上述弹性模量的计算表达式为:;式中,上标s表示单位节点,
p
为实体材料的泊松比,和分别为四阶单位张量和二阶单位张量,为函数和函数的卷积

[0032]
步骤
s400
,基于所述拓扑优化结果对所述网格模型进行重建模,以得到第二三维模型

[0033]
优选地,在本实施例中,上述步骤
s400
之后,该方法还包括:步骤
s500
,对所述第二三维模型进行二次静力学分析,并将分析结果与所述一次静力学分析的结果进行比对,若差值满足预设范围则优化有效

具体来说,在本实施例中,用拓扑优化后凸轮传动的蝎形变形机器人底板和尾部底座进行静力学分析,并与步骤
s300
的分析进行对比,观察其总变形和应力的最大值和最大值位置,如果最大值位置发生位移且最大值变化在
±
5%
,即静力分析图中的相关颜色对应的受力点发生位移,则拓扑有效

此外,本步骤中的静力学分析可以参照上述步骤
s300
,在此不多赘述

[0034]
综上,本发明上述实施例当中的零件拓扑优化方法,通过基于零件参数建立第一三维模型,并对第一三维模型进行网格划分,及施加荷载和约束,并通过优化模型对模型进行拓扑优化,得到优化后的第二三维模型,确保材料受力性能的前提下,很大程度上减少成本和减少材料浪费,从而提高材料利用率

[0035]
实施例二本发明的第二实施例提供了一种零件拓扑优化系统,包括:第一建模模块
100
,用于基于零件参数建立第一三维模型;约束模块
200
,用于对所述第一三维模型进行网格划分,以得到网格模型,并基于所述零件的受力状态,对所述网格模型施加荷载和约束;优化模块
300
,用于对所述网格模型进行一次静力学分析,并基于以下优化模型对所述网格模型进行拓扑优化:;;;式中,,分别是材料体积约束函数和最小尺寸约束函数,d是设计变量向
量,是所述设计变量向量d所属于的集合;第二建模模块
400
,用于基于所述拓扑优化结果对所述网格模型进行重建模,以得到第二三维模型

[0036]
优选地,在本实施例中,所述优化模块
300
具体用于:基于以下优化模型求解最小尺寸约束下的柔度最小化的优化问题:;;;;;;;式中,r表示设计区域,j为结构最小柔度,f,u,
t

ε
分别为实体材料的体积密度

实际位移

纽曼边界上的面力和二阶线性应变张量,v为实体材料的单位体积,d为积分符号,q为整数,为狄利克雷边界上规定的位移,表示试探位移场,表示
heaviside
函数,表示整体组件的拓扑描述函数集;e表示各向同性的弹性模量,为实体材料的体积的约束上限值,表示距离约束函数,表示最大位移量,表示最小位移

[0037]
优选地,在本实施例中,所述零件拓扑优化系统还包括:分析模块,用于对所述第二三维模型进行二次静力学分析,并将分析结果与所述一次静力学分析的结果进行比对,若差值满足预设范围则优化有效

[0038]
优选地,在本实施例中,所述优化模块
300
或所述分析模块还用于:基于以下动力学方程,分析零件在固定载荷作用下的结构响应:;式中,
[m]
为系统质量矩阵,
[c]
为系统阻尼矩阵,
[k]
为系统刚度矩阵;f为外力,

和u分别表示系统加速度

速度及位移

[0039]
综上,本实施例中的零件拓扑优化系统,通过设置第一建模模块
100
,并基于零件参数建立第一三维模型,通过约束模块
200
对第一三维模型进行网格划分,及施加荷载和约束,并通过优化模块
300
基于优化模型对模型进行拓扑优化,并基于第二建模模块
400
得到优化后的第二三维模型,确保材料受力性能的前提下,很大程度上减少成本和减少材料浪费,从而提高材料利用率

[0040]
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、
或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征

结构

材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中

在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例

而且,描述的具体特征

结构

材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合

[0041]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制

应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出多种变形和改进,这些都属于本发明的保护范围

因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准

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