一种基于内力路径几何形态的承载结构低碳节材设计方法

摘要

本发明公开了一种基于内力路径几何形态的承载结构低碳节材设计方法，该方法将承载结构的材料模量（如弹性模量）作为以低碳节材为导向的设计变量，并利用数值方法求解得到的内力路径几何形态（包括疏密度与弯曲度）对单元弹性模量进行惩罚，通过循环迭代获得承载结构的最佳传力路径，并以此为依据定义结构的基本承载架构与空间要求。该方法将内力路径的相关理论应用到结构拓扑优化设计中，为重大装备承载结构的低碳节材设计提供了一种新的思路。

主权项

一种基于内力路径几何形态的承载结构低碳节材设计方法，其特征在于，具体按下列步骤进行：1)设定一种弹性模量可变的单元并将单元的弹性模量作为设计变量，预先设定弹性模量的变化范围；2)建立承载结构的有限元模型，为有限元模型中各单元设定弹性模量初始值，然后施加边界条件并求解；3)经过步骤2）后，从有限元分析结果中提取单元节点应力值，通过插值得到各单元质心处应力值，根据各单元质心处应力值得出各单元质心处的内力传递矢量，模值最大的内力传递矢量代表内力路径在单元质心处的疏密程度，以此为基础求解内力路径在单元质心处的曲率，曲率值代表了内力路径在单元质心处的弯曲程度；4)利用步骤3）中得到的各个单元质心处内力路径的几何形态指标量对单元当前的弹性模量值进行惩罚，并获得新的单元弹性模量值，几何形态指标量包括疏密程度与弯曲程度；5)对步骤4）中得到的各单元弹性模量值进行光滑平均化处理；6)返回步骤2）将步骤5）中得到的单元弹性模量值赋给有限元模型中相应的各个单元，并进行循环迭代计算，直至单元的平均弹性模量达到预先设定的数值，这样便可得到承载结构的最佳传力路径，也即材料在设计空间中的最佳分布形式。