(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111534641.1 (22)申请日 2021.12.15 (71)申请人 任春 地址 010399 内蒙古自治区鄂 尔多斯市准 格尔旗龙口镇范家峁村松树湾社069 号 (72)发明人 任春　马天飞　高振刚　曹宇　 (74)专利代理 机构 北京星通盈泰知识产权代理 有限公司 1 1952 代理人 葛战波 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于等效线性静态载荷的薄壁结构大变形 碰撞拓扑优化法 (57)摘要 本发明属于结构非线性动力学响应拓扑优 化设计技术领域， 具体的说是涉及一种基于等效 线性静态载荷的薄壁结构大变形碰撞拓扑优化 法。 本发明包括结构碰撞分析、 等效线性静态载 荷计算、 结构线性静态拓扑优化和模 型更新四个 模块。 其中在等效静态载荷计算模块所提出的等 效线性静态载荷计算方法不仅可以根据问题的 非线性程度实现自由缩放， 而且 可以保证其用下 的结构始终保持在线性范围内， 从而从根本上解 决标准等效静态载荷法无法适用于薄壁结构大 变形碰撞拓扑优化的问题， 进而为汽 车结构优化 设计中广泛涉及的薄壁结构耐撞性和轻量化设 计提供一种可 行的技术方案。 权利要求书2页 说明书9页 附图4页 CN 114218673 A 2022.03.22 CN 114218673 A 1.基于等效线性静态载荷的薄壁结构大变形碰撞拓扑优化法， 其特征在于， 包括以下 步骤： S1、 通过求解第k次循环中结构大变形碰撞分析所涉及的控制方程， 获取结构动态位移 碰撞力Fk(t)和和能量响应Ek(t)： 其中， bk为材料的人工密度向量， M(bk)、 C(bk)和KN(bk)分别表示结构质量矩阵、 阻尼矩 阵和非线性刚度矩阵； gk(t)为外部载荷向量， 是任意时间t的函 数； 和 分别 表示节点 位移、 速度和 加速度向量， 下 标N表表明结构碰撞分析 涉及的非线性； S2、 根据步骤S1， 绘制第k次循环中结构大变形碰撞下的碰撞力 ‑位移 曲 线， 将该曲线定义为由第一直线和第二直线逼近， 其中第一直线表 示结构的线刚度， 第二直 线表示屈 服过程的切线刚度， 第二直线是水平的； 第一直线和第二直线的交点所对应的载 荷定义为屈服载荷， 对应的位移定义为屈服位移， 该位移为线性分析的极限位移， 表示为 所获得的碰撞力 ‑位移曲线下的面积表示实际应变能， 表示为 在位移最大时刻， 计算 强制节点 位移 作用下的弹性应 变能 为对第k次循环中任意时刻t时的标准 等效静态载荷； S3、 根据能量守恒定律和相似三角形关系， 建立实际应变能和弹性应变能的比例关系 为： S4、 计算位移比例因子为λk， 并将其定义为自适应等效线性静态载荷缩放因子， 具体表 示为屈服位移 与实际位移 的比值， 即： S5、 定义第k次循环中碰撞 应变能最大的时间点为 关键时间点， 表示为tj， 计算该时刻的 自适应等效线性静态载荷， 具体表示 为： 为第k次循环中tj时刻的标准 等效静态载荷； S6、 根据获得的自适应等效线性静态载荷， 利用如下进行 结构线性静态拓扑优化： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114218673 A 2其中， e为结构单元总数， Ne表示设计变量或设计区域单元总数， gk为第k次循环的目标 函数， 定义为关键时间点tj处自适应等效线性静态载荷 作用下的结构加权柔度和， tj 表示第j个关键时间点， 为对应加权系数， cj表示时间步总数， Xk(Lj)表示自适应等效线性 静态载荷 作用下的节点位移向量， p为SIMP法的惩罚因子， 是对应于第e个单元的 刚度矩阵， ve表示对应于第e个单元的体积， V和vf分别表示设空间的总体积和体积分数， bemin为单元密度下界， 是为防止单 元刚度奇异而设置的一个值； 在优化迭代过程中输出拓扑 结构的单 元密度和目标函数值。 2.根据权利要求1所述的基于等效线性静态载荷的薄壁结构碰撞拓扑优化方法， 其特 征在于， 还 包括： S7、 根据相邻两次外部循环 的目标函数值和设计变量及其变化情况， 判断优化过程的 收敛性， 如果收敛则调出优化过程， 如果不收敛则更新模型回到步骤S1， 其中更新模型的方 式为根据拓扑优化结果中设计变量的数值， 将碰撞模型中对应的低密度单元更新为线性单 元， 并再次进行碰撞分析， 其中低密度单 元的判断阈值 为预设值。 3.根据权利要求1或2所述的基于等效线性静态载荷的薄壁结构大变形碰撞拓扑优化 法， 其特征在于， 在结构非线性动力学碰撞拓扑优化问题中， 自适应等效线性静态载荷取值 小于1； 在 线性动力学拓扑优化问题中， 自适应等效线性静态载荷取值等于1， 即此时等效线 性静态载荷为标准 等效静态载荷。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114218673 A 3