一种基于拓扑优化的仿蜘蛛网夹层筋板复合结构设计方法

摘要

一种基于拓扑优化的仿蜘蛛网夹层筋板复合结构设计方法，它有九大步骤。一、对原结构件进行静力分析，得到变形云图；二、对结构件进行拓扑优化设计，得到结构件的拓扑优化单元伪密度图；三、从结构件的受力变形云图中找到最大变形区的位置；四、布置构件的圆环形规则纬线和规则经线；五、确定规则经线的布置密度；六、在构件某些部位布置不规则经线；七、结合拓扑优化，得到形成的空心构件结构；八、在仿蜘蛛网筋板的上层做一薄层板将蜘蛛网筋板完全包络，使中间夹层为仿蜘蛛网筋板的复合结构；九、按以上步骤对原构件进行反复改进。本发明构思科学，结构新颖，它能满足航空航天对轻量化设计的要求，在工程技术界具有较好的实用价值和广阔0的应用前景。

主权项

一种基于拓扑优化的仿蜘蛛网夹层筋板复合结构设计方法，其特征在于：该仿蜘蛛网夹层筋板复合结构，由底层板(1)、心环(2)、圆环形规则纬线(3)、规则经线(4)、不规则经线(5)、空心(6)和上层板(7)组成；该方法具体步骤如下：步骤一：首先用有限元分析软件对原结构件的受力进行静力分析，得到该结构件的受力变形云图，从受力变形云图中观察到结构变形的梯度变化；步骤二：利用有限元分析软件对该结构件进行拓扑优化设计，对优化设计后的拓扑优化结构进行处理，得到该结构件的拓扑优化单元伪密度图，此图是该结构件在满足给定条件下的最优传力路径，是原结构件去除多余材料后布满孔洞的离散化近腔体结构；步骤三：从该结构件的受力变形云图中找到最大变形区的位置；最大变形区是一小块面积，将心环(2)布置到最大变形处，心环(2)的中心选择在最大变形处面积的中心位置，心环(2)结构的半径取决于最大变形区的大小并将最大变形区覆盖；步骤四：最大变形区周围梯度曲线密集，变形量大小的变化缓慢，变形量也明显比该结构件的其它部分大，是最大变形集中区；此处选择布置圆环形规则纬线(3)和规则经线(4)；圆环形规则纬线(3)的间隔在离最大变形区越近越小，离变形区越远越大；每层圆环形规则纬线(3)的宽度可根据变形梯度场的疏密灵活选择；圆环形规则纬线(3)最大半径选择与最大变形集中区的半径相等；步骤五：规则经线(4)的布置就是沿着圆环形规则纬线(3)的中心向此周扩散，也就是沿着变形变化的梯度方向；规则经线(4)的分布密度依据最大变形集中区与最大变形区变形的数量级而定，数量级差别比较大，布置的密度就可以加大些，选择布置10~16条；步骤六：在最大变形集中区外，还会有些地方的变形比较大，但是比以上两区域的变形要小的多；这时可以沿着这些区域变形的梯度方向布置不规则经线(5)；步骤七：结合拓扑优化得到的单元伪密度图，在该结构件相应的部分去除结构材料形成空心(6)的结构，以减轻整个结构件的质量；步骤八：在仿蜘蛛网筋板的上层做一上层板(7)，使其将蜘蛛网筋板完全包络，形成两层平面层板，中间夹层为仿蜘蛛网筋板的复合结构；步骤九：按照以上设计步骤对原结构件进行反复改进设计，直到修改结果满足设计要求。