本技术涉及拓扑优化技术领域,公开了一种面向增材制造的热力耦合多尺度并行拓扑优化方法,该方法通过模糊C聚类方法将宏观设计域划分为多个宏观子设计域,将宏观子设计域信息映射在微观上作为微观优化的约束条件;将瞬态温度载荷进行等效静态转化,将等效热载荷引入多尺度拓扑优化模型;根据热力耦合控制方程进行宏观和微观的热力耦合有限元分析,使用HHT‑α法求解位移向量矩阵;对宏微观目标函数和约束条件的灵敏度分析,并使用移动渐近线MMA法作为宏微观设计变量更新的求解器;将微结构填入宏观构型中获得整体构型,并对收敛条件进行判断,若满足条件则输出最优材料分布结构以及微观最优构型。本发明更能体现工件真实的工作状态。
背景技术
许多工业设备在工作时都会受到机械负载和高温的影响,比如火箭,汽轮机等。因此,在结构优化中有必要研究温度场以及力场的结构优化。在设备工作时,当温度上升超过这个温度范围,设备的结构大多无法有效散热时,设备可能会因为温度过高而损坏,此外结构应具备一定的强度,才能保证设备在外部荷载作用下不会受损。
目前,有许多关于热力耦合问题优化设计的研究,但大多关注于稳态热传导。在火箭、高速飞机等在行驶时,温度往往具有瞬态效应,因此热应力会随着时间的变化而变化。瞬态热传导分析涉及大量的计算成本,尤其是当时间步长特别小时,花费的计算成本会更多,而增大时间步长后,不同时间的温度场就会产生波动。且大多数面向增材制造,并考虑瞬态响应的热力耦合都集中在宏观尺度,设计多尺度的研究甚少,限制了材料结构性能的进一步发展。
实现思路