本發(fā)明涉及一種基于網(wǎng)格參數(shù)化的結構多學科設計優(yōu)化方法，屬于結構設計領域。

背景技術：

多學科設計優(yōu)化是近幾十年來發(fā)展起來用于解決多個學科耦合問題的優(yōu)化設計方法。與傳統(tǒng)單學科串行設計方法相比，考慮了學科間的耦合設計，更加貼切問題的實質，具有較高的設計精度；采用多目標機制平衡學科間的相互影響，可以獲取整體最佳設計，避免了反復設計所導致的人力、物力、財力的浪費；引入了協(xié)同/并行的設計思想，有效地提高了設計效率。由于多學科設計優(yōu)化所展現(xiàn)出的優(yōu)勢，已經被廣泛應用于飛行器、發(fā)動機、汽車等產品的設計中，目前也已成為復雜系統(tǒng)設計一項必不可少的手段。

在以往的多學科設計優(yōu)化中，遵循著更新幾何模型—>重新劃分網(wǎng)格—>數(shù)值分析的優(yōu)化循環(huán)過程，即在每個尋優(yōu)迭代中需要重新生成幾何模型和進行劃分網(wǎng)格。這種優(yōu)化循環(huán)存在著如下的缺陷：1)對幾何模型的參數(shù)化設計要求較高；并且鑒于目前幾何模型的生成方式，不能保證可以生成合理的幾何模型，嚴重時甚至導致模型更新失敗。2)難以保證重新劃分后的網(wǎng)格質量，引起了優(yōu)化過程中數(shù)值分析的漂移，嚴重影響了高度敏感于網(wǎng)格質量的流體、接觸等問題優(yōu)化結果的可信度；存在網(wǎng)格劃分失敗的風險，特別是針對飛行器、航空發(fā)動機、車船系統(tǒng)的整機設計，大量零部件的網(wǎng)格劃分需要消耗巨大的時間成本。因此需要進一步發(fā)展多學科設計優(yōu)化方法避免上述問題的發(fā)生。

技術實現(xiàn)要素：

要解決的技術問題

本發(fā)明將發(fā)展一種基于網(wǎng)格參數(shù)化的結構多學科設計優(yōu)化方法，利用網(wǎng)格變形技術將各學科分析網(wǎng)格進行參數(shù)化處理，并保證耦合界面處各學科網(wǎng)格變化的一致性，在網(wǎng)格參數(shù)化基礎上實現(xiàn)結構的多學科設計優(yōu)化，有效避免傳統(tǒng)優(yōu)化設計方法中每次優(yōu)化迭代需要重新生成幾何模型和劃分網(wǎng)格所產生的問題。

技術方案

一種基于網(wǎng)格參數(shù)化的結構多學科設計優(yōu)化方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：根據(jù)結構設計的要求，確定結構多學科設計優(yōu)化中設計變量、約束和目標，確定所涉及學科的分析方法；

步驟2：建立結構設計所涉及多個學科的分析網(wǎng)格，施加對應的物理模型、邊界條件和分析控制參數(shù)，并確定耦合界面；

步驟3：根據(jù)結構形狀、尺寸特征以及學科分析網(wǎng)格的特點，針對結構優(yōu)化設計變量，利用自由網(wǎng)格變形技術建立學科分析網(wǎng)格的參數(shù)化模型：

步驟31：根據(jù)結構形狀和尺寸特征，結合結構優(yōu)化設計變量，利用自由網(wǎng)格變形方法建立各學科分析網(wǎng)格的控制體，并獲取控制體節(jié)點坐標；耦合界面處各學科分析網(wǎng)格控制體保持一致；

步驟32：建立控制體節(jié)點坐標與各學科分析網(wǎng)格節(jié)點坐標間映射關系，通過控制體節(jié)點坐標的變化來控制學科分析網(wǎng)格變形，更新網(wǎng)格節(jié)點坐標獲得新的學科分析網(wǎng)格；

步驟33：對變形后的學科分析網(wǎng)格進行光順處理，以提高分析網(wǎng)格的質量；

步驟34：建立控制體節(jié)點坐標變化與結構優(yōu)化設計變量間的定量關系，通過更改設計變量實現(xiàn)對控制體節(jié)點坐標和學科分析網(wǎng)格的變化，實現(xiàn)學科分析網(wǎng)格的參數(shù)化；

步驟4：搭建結構多學科設計優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)學科間耦合關系和耦合變量，利用多學科可行方法或協(xié)同優(yōu)化設計方法建立結構多學科設計優(yōu)化系統(tǒng)；

步驟5：開展多學科優(yōu)化設計，首先進行設計變量的主次因素分析，選取對目標、約束影響較大的變量作為設計變量；在此基礎上開展DOE設計，建立初始代理模型；利用組合優(yōu)化算法進行結構多學科設計優(yōu)化。

有益效果

傳統(tǒng)結構多學科設計優(yōu)化中是基于幾何參數(shù)化進行的，在每次優(yōu)化迭代中根據(jù)設計變量進行幾何模型的更改，但是在更改幾何模型時容易導致模型更新失敗，特別是幾何模型更新后往往進行自動網(wǎng)格劃分，自動劃分的網(wǎng)格由于不能保證網(wǎng)格質量從而影響優(yōu)化效率和精度。本發(fā)明針對結構多學科設計優(yōu)化，發(fā)展一種基于網(wǎng)格參數(shù)化的結構多學科設計優(yōu)化方法。該方法利用網(wǎng)格變形技術將結構所涉及學科的分析網(wǎng)格進行參數(shù)化處理，在優(yōu)化過程中直接更改學科分析網(wǎng)格進行優(yōu)化設計，避免了重新生成幾何模型和自動劃分網(wǎng)格所導致的幾何模型生成失敗、網(wǎng)格精度低的問題，有效地保證了優(yōu)化過程中的網(wǎng)格質量，可以進一步提高結構多學科設計優(yōu)化的效率和精度。

附圖說明

圖1為基于網(wǎng)格參數(shù)化的結構多學科可行優(yōu)化流程圖；

圖2為涉及氣動、傳熱、結構、強度等學科的渦輪冷卻葉片模型；

圖3為網(wǎng)格模型的控制體；

圖4為渦輪葉片流場分析網(wǎng)格參數(shù)化模型；

圖5為流場分析網(wǎng)格變化前后對比圖；

圖6為渦輪葉片結構分析網(wǎng)格參數(shù)化模型；

圖7為安裝角變化后結構分析網(wǎng)格。

具體實施方式

現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

本實施案例針對涉及氣動、傳熱、結構、強度等學科的渦輪葉片進行結構的多學科設計優(yōu)化，具體包括如下步驟：

步驟1：對于圖1所示渦輪葉片多學科設計優(yōu)化來講，涉及氣動、傳熱、結構、強度等學科，其設計變量包括葉根、葉中、葉尖等部位的葉型設計參數(shù)，目標包括氣動效率最高、結構重量最小、葉片平均溫度最小等，約束為葉片最大應力、最大變形滿足設計要求。此外，分別建立葉片流-熱耦合分析模型、結構強度分析模型，利用商用計算流體力學軟件CFX分析葉片氣動特性和對流換熱，利用商用有限元軟件Abaqus進行葉片強度分析。

步驟2：根據(jù)葉片氣動、傳熱、結構強度耦合關系，確定葉片表面為氣動和結構學科的耦合截面，需要將耦合截面上氣動分析得到壓強數(shù)據(jù)傳遞給結構分析模型；整個葉身結構域存在傳熱、結構強度的耦合。根據(jù)葉片涉及氣動、傳熱、結構強度等學科分析要求，分別劃分流-熱耦合分析、結構強度分析的網(wǎng)格，并選擇湍流模型、施加空氣介質參數(shù)和進出口邊界條件、轉速等進行流-熱耦合分析，選擇材料本構模型，施加材料屬性以及約束、轉速等結構強度邊界條件。

步驟3：根據(jù)流場分析網(wǎng)格和結構分析網(wǎng)格的特點和葉身型線特征，基于自由網(wǎng)格變形技術，分別建立流-熱耦合分析網(wǎng)格和結構分析網(wǎng)格的控制體，如圖3、4和圖6所示。將分析網(wǎng)格節(jié)點坐標通過映射關系映射到控制體坐標系中，建立網(wǎng)格節(jié)點和控制點坐標的映射關系，改變控制點坐標進行網(wǎng)格節(jié)點一定，實現(xiàn)網(wǎng)格模型的參數(shù)化。為保證流-熱耦合分析網(wǎng)格、結構強度分析網(wǎng)格在耦合界面上變形一致，在耦合界面上采用同一控制體。其步驟具體包括：

根據(jù)葉型型線外形，建立渦輪葉片分析網(wǎng)格(流-熱耦合、結構強度)的Bezier基函數(shù)形式控制體。建立控制體的局部坐標系(ξ,η,ζ)，分析模型的網(wǎng)格節(jié)點在控制體坐標系中可以表示為：

其中，是控制體的初始基準點，及是控制體沿三個主軸方向ξ、η及ζ的單位矢量。這樣，定義了葉片分析模型的網(wǎng)格節(jié)點與控制體單元節(jié)點之間的正影射關系。該映射關系一般形式為：

其中，N_i為控制體所采用的任意類型單元在局部坐標系中的位移插值函數(shù)，為葉片分析模型網(wǎng)格節(jié)點在控制體中的參數(shù)坐標值。

通過分析模型網(wǎng)格節(jié)點與控制體坐標系的映射關系，將葉片分析模型網(wǎng)格節(jié)點映射至控制體；改變控制體形狀，利用反映射使葉片分析模型網(wǎng)格產生預期變形。確定網(wǎng)格模型所需變形量后，控制體將此變形量反映于相應的控制體單元節(jié)點?？刂企w每變形一次，分析模型網(wǎng)格節(jié)點即根據(jù)反映射隨即產生更新。反映射關系為：

其中，為模型原始矢量。當控制體上節(jié)點產生移動，通過與分析模型網(wǎng)格點的反映射，模型內網(wǎng)格點亦可產生任意形式的移動，形成分析模型網(wǎng)格的變形。渦輪葉片流場分析和結構分析網(wǎng)格變形前后的對比圖如圖5和圖7所示。

步驟4：根據(jù)學科間耦合關系和耦合變量，需要將流-熱耦合分析得到氣動表面壓力、葉片結構溫度場傳遞到結構強度分析模型中；考慮到結構變形的對氣動性能的影響，需要將結構變形傳遞到流-熱耦合分析模型。利用反距離加權平均方法進行了氣壓、溫度載荷傳遞；以葉片型線作為控制線，利用網(wǎng)格重生成技術實現(xiàn)變形傳遞。以氣動效率和結構最大變形量作為收斂標準，迭代實現(xiàn)了渦輪葉片的流-熱-固耦合分析。在網(wǎng)格參數(shù)化的基礎上，基于渦輪葉片流-熱-固耦合分析模型，搭建渦輪葉片多學科可行優(yōu)化系統(tǒng)，通過優(yōu)化算法不斷更改葉片流-熱耦合分析網(wǎng)格、結構強度分析網(wǎng)格，實現(xiàn)葉片的多學科設計優(yōu)化。

步驟5：在搭建的葉片多學科可行優(yōu)化系統(tǒng)上，開展DOE設計，建立初始代理模型；利用多島遺傳算法和序列二次規(guī)劃組合優(yōu)化算法進行葉片多學科設計優(yōu)化，其中多島遺傳算法作為全局優(yōu)化算法具有極強的全局尋優(yōu)能力，而序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法可在多島遺傳算法得到的極值點處繼續(xù)進行局部搜索。在優(yōu)化過程中采用主動學習的Kriging代理模型適時更新以保證優(yōu)化設計精度。

在基于網(wǎng)格參數(shù)化的結構多學科設計優(yōu)化方法中，網(wǎng)格參數(shù)化方法可以同時實現(xiàn)結構形狀和尺寸的變化。