本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具體地，涉及一種基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的機(jī)構(gòu)承載及響應(yīng)速度提升方法及系統(tǒng)；更為具體地，涉及一種基于拓?fù)湓O(shè)計(jì)的空間機(jī)構(gòu)承載能力/響應(yīng)速度協(xié)同提升方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在航天任務(wù)當(dāng)中，航天設(shè)備的發(fā)射成本與其質(zhì)量和體積密切相關(guān)，輕量化的航天設(shè)備可以攜帶更多的有效載荷或者在相同的載荷條件下實(shí)現(xiàn)更高的性能。近年來(lái)，隨著拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與金屬基增材制造技術(shù)的發(fā)展，為航天設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)與制造提供了切實(shí)可行的方案。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)通過(guò)精確計(jì)算材料分布，實(shí)現(xiàn)了在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，最大限度地減少材料使用；而金屬基增材制造技術(shù)則使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造成為可能。

2、針對(duì)航天設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)，申請(qǐng)公布號(hào)為cn204186872u的中國(guó)發(fā)明專利通過(guò)采用輕量化鎂鋰合金材料實(shí)現(xiàn)航天器的輕量化設(shè)計(jì)；申請(qǐng)公布號(hào)為cn114186339a的中國(guó)發(fā)明專利通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)生成了航天器支架構(gòu)型，采用激光選區(qū)熔化方法對(duì)優(yōu)化后的支架進(jìn)行增材制造加工，達(dá)到了減重以及快速制造的目的；申請(qǐng)公布號(hào)為cn117708978a的中國(guó)發(fā)明專利通過(guò)蒙皮點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)，在對(duì)支架初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽殼處理得到蒙皮模型，并對(duì)內(nèi)部使用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，之后通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)應(yīng)力完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3、綜上可知，現(xiàn)有優(yōu)化方法多面向單個(gè)構(gòu)件，更注重結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能。而對(duì)于機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能以及機(jī)構(gòu)經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后除減重以外的優(yōu)勢(shì)利用不足，有必要加以改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的機(jī)構(gòu)承載及響應(yīng)速度提升方法及系統(tǒng)。

2、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的機(jī)構(gòu)承載及響應(yīng)速度提升方法，包括：

3、步驟s1：建立機(jī)構(gòu)初始模型，得到機(jī)構(gòu)各構(gòu)件初始質(zhì)量；

4、步驟s2：對(duì)機(jī)構(gòu)中待拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)件按預(yù)設(shè)要求進(jìn)行優(yōu)化與非優(yōu)化區(qū)域的劃分；

5、步驟s3：對(duì)優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到各構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型及優(yōu)化后質(zhì)量；

6、步驟s4：對(duì)各構(gòu)件的靜力學(xué)性能削弱比值進(jìn)行計(jì)算；

7、步驟s5：根據(jù)靜力學(xué)性能削弱比值判斷有無(wú)能夠增加的載荷質(zhì)量，對(duì)機(jī)構(gòu)末端能夠增加的載荷質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算；

8、步驟s6：根據(jù)末端能夠增加的載荷質(zhì)量進(jìn)行判斷，對(duì)機(jī)構(gòu)優(yōu)化構(gòu)型的靜、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證；

9、步驟s7：根據(jù)各構(gòu)件初始質(zhì)量、優(yōu)化后質(zhì)量、靜力學(xué)性能削弱比值、能夠增加的載荷質(zhì)量，對(duì)機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度提升進(jìn)行計(jì)算。

10、優(yōu)選地，在所述步驟s1中：

11、通過(guò)三維軟件建立機(jī)構(gòu)的初始模型，賦予材料屬性，得到機(jī)構(gòu)各構(gòu)件初始質(zhì)量moi；

12、在所述步驟s2中：

13、將待優(yōu)化構(gòu)件劃分為優(yōu)化區(qū)域與非優(yōu)化區(qū)域，為保證機(jī)構(gòu)整體工作需求，優(yōu)化區(qū)域不包括預(yù)設(shè)的各構(gòu)件之間為保證安裝可靠的連接區(qū)域、預(yù)設(shè)的確保工作負(fù)載施加無(wú)誤的承載區(qū)域、預(yù)設(shè)的具有定位等特殊需求的部位，其中，確保工作負(fù)載施加無(wú)誤的承載區(qū)域包括施加均布載荷的受力面。

14、優(yōu)選地，在所述步驟s3中：

15、根據(jù)機(jī)構(gòu)實(shí)際工況定義優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)構(gòu)件中優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行有限單元離散，以等量材料結(jié)構(gòu)的最小柔度作為優(yōu)化目標(biāo)，單元偽密度為設(shè)計(jì)變量，體積分?jǐn)?shù)比作為約束條件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化質(zhì)量mti；

16、具體的優(yōu)化列式如下：

17、findρ＝(ρ11、ρ12…ρij)t∈r，(i＝1、2…m；j＝1、2…n)

18、

19、s.t.ku＝f

20、

21、0<ρmin≤ρij<1

22、其中，ρij(i＝1、2…m；j＝1、2…n)表示優(yōu)化區(qū)域內(nèi)每個(gè)單元的偽密度，m為優(yōu)化區(qū)域內(nèi)i方向的單元個(gè)數(shù)，n為優(yōu)化區(qū)域內(nèi)j方向的單元個(gè)數(shù)；r為實(shí)數(shù)集合；c為結(jié)構(gòu)柔度；f為載荷矢量；u為位移矢量；k為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；t為轉(zhuǎn)置；v為優(yōu)化后的體積；uij為單元位移矢量；k0為初始單元的剛度矩陣；f為體積分?jǐn)?shù)比；v0為初始體積；vij為單元體積；p為懲罰系數(shù)；ρmin為設(shè)計(jì)密度下限，取值為預(yù)設(shè)的很小的正數(shù)以防止優(yōu)化中的剛度陣奇異。

23、優(yōu)選地，在所述步驟s4中：

24、分別對(duì)機(jī)構(gòu)中各優(yōu)化構(gòu)件的初始構(gòu)型與拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型按照機(jī)構(gòu)實(shí)際工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到初始構(gòu)型的最大米塞斯等效應(yīng)力foi、最大變形soi以及拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型的最大米塞斯等效應(yīng)力fti、最大變形sti，并計(jì)算各構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型的靜力學(xué)性能削弱比值ki；

25、具體的計(jì)算公式如下：

26、

27、優(yōu)選地，在所述步驟s5中：

28、比較機(jī)構(gòu)最末端構(gòu)件的靜力學(xué)性能削弱比值kn與其減重比mk，當(dāng)減重比mk大于靜力學(xué)性能削弱比值kn時(shí)，計(jì)算機(jī)構(gòu)末端能夠增加的載荷質(zhì)量ma；

29、具體的計(jì)算公式如下：

30、

31、ma＝(1-kn)(mk-kn)(mon-mtn)

32、其中，mon為最末端構(gòu)件初始構(gòu)型質(zhì)量；mtn為最末端構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型質(zhì)量；n為機(jī)構(gòu)中第n個(gè)構(gòu)件即最末端構(gòu)件；

33、當(dāng)減重比mk小于或等于靜力學(xué)性能削弱比值ki時(shí)，認(rèn)為該機(jī)構(gòu)無(wú)可增加載荷質(zhì)量ma。

34、優(yōu)選地，在所述步驟s6中：

35、對(duì)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化構(gòu)型進(jìn)行有限單元離散化，根據(jù)機(jī)構(gòu)實(shí)際工況進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)性能分析驗(yàn)證；當(dāng)滿足預(yù)設(shè)性能要求時(shí)，完成拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)入下一步驟；當(dāng)不滿足預(yù)設(shè)性能要求時(shí)，返回步驟s3，調(diào)整拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)體積比參數(shù)，重新獲取構(gòu)件的優(yōu)化構(gòu)型；

36、當(dāng)有末端能夠增加的載荷質(zhì)量時(shí)，將該質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)的形式連接在機(jī)構(gòu)載荷安裝位置，進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)分析驗(yàn)證；當(dāng)沒(méi)有末端能夠增加的載荷質(zhì)量時(shí)，不進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)分析驗(yàn)證；

37、其中，當(dāng)有以下情況時(shí)，為不滿足性能要求：

38、機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件最大米塞斯等效應(yīng)力超出其許可范圍時(shí)；機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件最大變形量超出其許可范圍時(shí)；機(jī)構(gòu)固有頻率接近工作頻率時(shí)；機(jī)構(gòu)固有頻率接近預(yù)設(shè)可能引起共振的激勵(lì)頻率時(shí)；機(jī)構(gòu)固有頻率接近工作環(huán)境中有概率存在的自然頻率時(shí)。

39、優(yōu)選地，在所述步驟s7中：

40、對(duì)于機(jī)構(gòu)中的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其響應(yīng)速度提升為：

41、

42、其中，ri為第i個(gè)關(guān)節(jié)處的響應(yīng)速度提升；ki為第i個(gè)構(gòu)件的靜力學(xué)性能削弱比值；λi為第i個(gè)關(guān)節(jié)處質(zhì)量占該關(guān)節(jié)響應(yīng)速度權(quán)重；

43、對(duì)于機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其響應(yīng)速度提升為：

44、

45、其中，ki為第i個(gè)構(gòu)件的靜力學(xué)性能削弱比值；λi為第i個(gè)關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)慣量占該關(guān)節(jié)響應(yīng)速度權(quán)重；ioi為第i個(gè)構(gòu)件初始構(gòu)型對(duì)當(dāng)前關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；iti為第i個(gè)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型對(duì)當(dāng)前關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

46、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的機(jī)構(gòu)承載及響應(yīng)速度提升系統(tǒng)，包括：

47、模塊m1：建立機(jī)構(gòu)初始模型，得到機(jī)構(gòu)各構(gòu)件初始質(zhì)量；

48、模塊m2：對(duì)機(jī)構(gòu)中待拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)件按預(yù)設(shè)要求進(jìn)行優(yōu)化與非優(yōu)化區(qū)域的劃分；

49、模塊m3：對(duì)優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到各構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型及優(yōu)化后質(zhì)量；

50、模塊m4：對(duì)各構(gòu)件的靜力學(xué)性能削弱比值進(jìn)行計(jì)算；

51、模塊m5：根據(jù)靜力學(xué)性能削弱比值判斷有無(wú)能夠增加的載荷質(zhì)量，對(duì)機(jī)構(gòu)末端能夠增加的載荷質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算；

52、模塊m6：根據(jù)末端能夠增加的載荷質(zhì)量進(jìn)行判斷，對(duì)機(jī)構(gòu)優(yōu)化構(gòu)型的靜、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證；

53、模塊m7：根據(jù)各構(gòu)件初始質(zhì)量、優(yōu)化后質(zhì)量、靜力學(xué)性能削弱比值、能夠增加的載荷質(zhì)量，對(duì)機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度提升進(jìn)行計(jì)算。

54、優(yōu)選地，在所述模塊m1中：

55、通過(guò)三維軟件建立機(jī)構(gòu)的初始模型，賦予材料屬性，得到機(jī)構(gòu)各構(gòu)件初始質(zhì)量moi；

56、在所述模塊m2中：

57、將待優(yōu)化構(gòu)件劃分為優(yōu)化區(qū)域與非優(yōu)化區(qū)域，為保證機(jī)構(gòu)整體工作需求，優(yōu)化區(qū)域不包括預(yù)設(shè)的各構(gòu)件之間為保證安裝可靠的連接區(qū)域、預(yù)設(shè)的確保工作負(fù)載施加無(wú)誤的承載區(qū)域、預(yù)設(shè)的具有定位等特殊需求的部位，其中，確保工作負(fù)載施加無(wú)誤的承載區(qū)域包括施加均布載荷的受力面；

58、在所述模塊m3中：

59、根據(jù)機(jī)構(gòu)實(shí)際工況定義優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)構(gòu)件中優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行有限單元離散，以等量材料結(jié)構(gòu)的最小柔度作為優(yōu)化目標(biāo)，單元偽密度為設(shè)計(jì)變量，體積分?jǐn)?shù)比作為約束條件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化質(zhì)量mti；

60、具體的優(yōu)化列式如下：

61、findρ＝(ρ11、ρ12…ρij)t∈r，(i＝1、2…m；j＝1、2…n)

62、

63、s.t.ku＝f

64、

65、0<ρmin≤ρij<1

66、其中，ρij(i＝1、2…m；j＝1、2…n)表示優(yōu)化區(qū)域內(nèi)每個(gè)單元的偽密度，m為優(yōu)化區(qū)域內(nèi)i方向的單元個(gè)數(shù)，n為優(yōu)化區(qū)域內(nèi)j方向的單元個(gè)數(shù)；r為實(shí)數(shù)集合；c為結(jié)構(gòu)柔度；f為載荷矢量；u為位移矢量；k為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；t為轉(zhuǎn)置；v為優(yōu)化后的體積；uij為單元位移矢量；k0為初始單元的剛度矩陣；f為體積分?jǐn)?shù)比；v0為初始體積；vij為單元體積；p為懲罰系數(shù)；ρmin為設(shè)計(jì)密度下限，取值為預(yù)設(shè)的很小的正數(shù)以防止優(yōu)化中的剛度陣奇異。

67、優(yōu)選地，在所述模塊m4中：

68、分別對(duì)機(jī)構(gòu)中各優(yōu)化構(gòu)件的初始構(gòu)型與拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型按照機(jī)構(gòu)實(shí)際工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到初始構(gòu)型的最大米塞斯等效應(yīng)力foi、最大變形soi以及拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型的最大米塞斯等效應(yīng)力fti、最大變形sti，并計(jì)算各構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型的靜力學(xué)性能削弱比值ki；

69、具體的計(jì)算公式如下：

70、

71、在所述模塊m5中：

72、比較機(jī)構(gòu)最末端構(gòu)件的靜力學(xué)性能削弱比值kn與其減重比mk，當(dāng)減重比mk大于靜力學(xué)性能削弱比值kn時(shí)，計(jì)算機(jī)構(gòu)末端能夠增加的載荷質(zhì)量ma；

73、具體的計(jì)算公式如下：

74、

75、ma＝(1-kn)(mk-kn)(mon-mtn)

76、其中，mon為最末端構(gòu)件初始構(gòu)型質(zhì)量；mtn為最末端構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型質(zhì)量；n為機(jī)構(gòu)中第n個(gè)構(gòu)件即最末端構(gòu)件；

77、當(dāng)減重比mk小于或等于靜力學(xué)性能削弱比值ki時(shí)，認(rèn)為該機(jī)構(gòu)無(wú)可增加載荷質(zhì)量ma；

78、在所述模塊m6中：

79、對(duì)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化構(gòu)型進(jìn)行有限單元離散化，根據(jù)機(jī)構(gòu)實(shí)際工況進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)性能分析驗(yàn)證；當(dāng)滿足預(yù)設(shè)性能要求時(shí)，完成拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)入下一步驟；當(dāng)不滿足預(yù)設(shè)性能要求時(shí)，返回模塊m3，調(diào)整拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)體積比參數(shù)，重新獲取構(gòu)件的優(yōu)化構(gòu)型；

80、當(dāng)有末端能夠增加的載荷質(zhì)量時(shí)，將該質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)的形式連接在機(jī)構(gòu)載荷安裝位置，進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)分析驗(yàn)證；當(dāng)沒(méi)有末端能夠增加的載荷質(zhì)量時(shí)，不進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)分析驗(yàn)證；

81、其中，當(dāng)有以下情況時(shí)，為不滿足性能要求：

82、機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件最大米塞斯等效應(yīng)力超出其許可范圍時(shí)；機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件最大變形量超出其許可范圍時(shí)；機(jī)構(gòu)固有頻率接近工作頻率時(shí)；機(jī)構(gòu)固有頻率接近預(yù)設(shè)可能引起共振的激勵(lì)頻率時(shí)；機(jī)構(gòu)固有頻率接近工作環(huán)境中有概率存在的自然頻率時(shí)；

83、在所述模塊m7中：

84、對(duì)于機(jī)構(gòu)中的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其響應(yīng)速度提升為：

85、

86、其中，ri為第i個(gè)關(guān)節(jié)處的響應(yīng)速度提升；ki為第i個(gè)構(gòu)件的靜力學(xué)性能削弱比值；λi為第i個(gè)關(guān)節(jié)處質(zhì)量占該關(guān)節(jié)響應(yīng)速度權(quán)重；

87、對(duì)于機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其響應(yīng)速度提升為：

88、

89、其中，ki為第i個(gè)構(gòu)件的靜力學(xué)性能削弱比值；λi為第i個(gè)關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)慣量占該關(guān)節(jié)響應(yīng)速度權(quán)重；ioi為第i個(gè)構(gòu)件初始構(gòu)型對(duì)當(dāng)前關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；iti為第i個(gè)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型對(duì)當(dāng)前關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

90、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

91、1、本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)的計(jì)算方法，包括從初始模型建立、拓?fù)鋬?yōu)化、承載提升計(jì)算、性能驗(yàn)證、再到最終的響應(yīng)速度提升計(jì)算的完整流程，使得設(shè)計(jì)過(guò)程更加規(guī)范化和系統(tǒng)化。

92、2、本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)后進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)性能的驗(yàn)證，確保優(yōu)化結(jié)果滿足實(shí)際工況的需求，并允許設(shè)計(jì)者根據(jù)機(jī)構(gòu)的實(shí)際工況和性能要求，調(diào)整優(yōu)化時(shí)的體積比參數(shù)，使得設(shè)計(jì)過(guò)程更加靈活和適應(yīng)性強(qiáng)。

93、3、本發(fā)明充分利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)的輕量化及慣性降低的優(yōu)勢(shì)，對(duì)機(jī)構(gòu)的承載性能以及響應(yīng)速度進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)。