；
圖4是用于拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的示例性實施例的流程圖；
圖5是域的示例性實施例的圖；
圖6是域的另外的示例性實施例的圖；
圖7是基于圖5的域的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的示例性實施例的圖；以及圖8顯示基于圖7的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)的示例性實施例。
【具體實施方式】
[0029]下列詳細說明在本質(zhì)上僅僅是示例性的并且不是要限制其應(yīng)用和使用。此外，沒有試圖要被任何前述的技術(shù)領(lǐng)域、【背景技術(shù)】、簡明概要或者下列詳細說明中的明示或暗示的理論所限制。
[0030]初步設(shè)計通過數(shù)學(xué)建模來幫助設(shè)計者確定將使用的最終結(jié)構(gòu)。有限元分析使用已知的方程來建立結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)或者數(shù)學(xué)模型。拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇的變量，例如應(yīng)變能，并且當(dāng)控制例如總質(zhì)量的其它變量在指定的限制內(nèi)時能夠如此。有限元分析開始于域，其是包括最終結(jié)構(gòu)和多種不同材料類型的面積或體積。域被劃分成多個單元，并且單個的單元與被分析的材料類型中的一種相關(guān)聯(lián)。因此，與材料類型中的一種相關(guān)聯(lián)的單元填充域的部分，并且與材料類型中的其它相關(guān)聯(lián)的單元填充域的余下部分。選擇的變量對于每個單元被迭代地計算，并且結(jié)果逐漸被強制來表示或者滿單元或者空單元。迭代計算繼續(xù)直至拓撲結(jié)構(gòu)被完成，并且由此拓撲結(jié)構(gòu)被輸出。拓撲結(jié)構(gòu)顯示在域內(nèi)的位置，其中多種材料類型的每一種被定位對于所選變量來提供最優(yōu)的性能。拓撲結(jié)構(gòu)由此被用作最終結(jié)構(gòu)的設(shè)計輔助。
[0031]參照圖1，有限元分析通過計算機10被實施。在示例性實施例中，有限元分析涉及對于許多不同位置的單獨計算，并且計算使用之前迭代的結(jié)果被重復(fù)迭代。大量的計算被實施，因此計算機需要以及時的方式來完成分析。計算機10包括輸入設(shè)備12，例如鍵盤、調(diào)制解調(diào)器、觸摸屏或“鼠標(biāo)”，以及輸入設(shè)備12被配置來輸入信息或數(shù)據(jù)至處理器14。輸入能夠被手動地輸入、從網(wǎng)絡(luò)下載或者以另外的方式使用輸入設(shè)備12提供給計算機10。計算機10也包括非瞬時性計算機可讀媒介16用于保存和訪問信息和程序。非瞬時性計算機可讀媒介16是真實的設(shè)備，例如硬盤、軟盤、USB閃存盤等等。非瞬時性計算機可讀媒介16包括由處理器14訪問的程序基于通過輸入設(shè)備12進入的數(shù)據(jù)來執(zhí)行有限元分析。在一些實施例中非瞬時性計算機可讀媒介16也包括數(shù)據(jù)庫17，其中數(shù)據(jù)庫17存儲和提供在有限元分析中使用的至信息的訪問。計算機10也包括用于輸出結(jié)果的輸出設(shè)備18。輸出設(shè)備18包括但不限于調(diào)制解調(diào)器、打印機、監(jiān)控器、顯示屏或者能夠從計算機10接收輸出的其它設(shè)備。
[0032]現(xiàn)在參照在圖2和圖3中示出的示例性實施例，并繼續(xù)參照圖1，用于產(chǎn)生計算的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程開始于輸入問題約束20，其中問題約束20包括建立待實施的單個分析的特定細節(jié)。例如問題約束20包括待分析的面積和置于此面積上的負載，因此在問題約束20中輸入的數(shù)據(jù)對于不同的結(jié)構(gòu)或者置于結(jié)構(gòu)上不同的作用力而改變。域22被輸入，其中域22是包括將被產(chǎn)生的最終結(jié)構(gòu)的面積(對于二維分析)或者體積(對于三維分析)。典型地，域22通過幾何定位系統(tǒng)被建立。域22能夠是固體塊，在此情形下多種拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計是可能的，但是在很多實施例中，域22基于初步設(shè)計標(biāo)準被限制。例如，如果待估算的結(jié)構(gòu)是機動車輛70或者機動車輛70的一部分，則域22的大致形狀和輪廓被限制并且通過機動車輛70的類型和尺寸被確定。如果機動車輛70是廂式貨車，則初始的域22與當(dāng)機動車輛70為卡車時非常不同，并且被輸入計算機10的域22基于所需的大體的最終結(jié)構(gòu)被構(gòu)造。域22能夠是二維形狀，例如當(dāng)域22代表金屬層時，但是域22也能夠是三維形狀，例如機動車輛70的車體。在一些實施例中，在域22內(nèi)存在空腔，例如對于機動車輛的乘客艙72、后備箱74和發(fā)動機艙76。域22通過幾何限定的域邊界或者域22的邊緣或面而被輸入，并且域邊界通常使用坐標(biāo)系統(tǒng)被限定。
[0033]負載向量24也在問題約束20中被輸入，其中負載向量24具有大小和方向。負載向量24是施加至域22上的力，并且該力以特定的方向被施加在特定的位置。例如，如果域22是機動車輛70，當(dāng)機動車輛70在減速帶上方行駛時，負載向量24能夠是施加在車輪78處的力。在此示例中，負載向量24可以被位于四個點處，一個對于每個車輪78，并且作用力的方向可以通常是在車輪78處向上。其大小可以取決于機動車輛70的重量、減速帶的尺寸和機動車輛70在作用時刻的速度。通常，負載向量是施加至系統(tǒng)的外力。在另一個示例中，機動車輛70的乘客重為80千克。乘客能夠被表示為大小為80千克的沿著向下方向的負載向量。
[0034]在一些實施例中，所需性能標(biāo)準26作為問題約束20的一部分被輸入。在機動車輛70在減速帶上行駛的示例中，所需性能標(biāo)準26能夠是在駕駛座處的加速度必須小于特定值。在另一個示例性實施例中，所需性能標(biāo)準26是來限制域22的總質(zhì)量小于特定值，由此設(shè)定域22的總質(zhì)量的最大可允許值。性能標(biāo)準26能夠?qū)τ诓煌膯栴}約束20而改變，以及性能標(biāo)準26的數(shù)量也能夠改變。
[0035]多種材料類型28作為問題約束20的一部分被輸入。材料類型28能夠?qū)τ谟?2的特定的部分而被確定，并且被允許來對于其它位置而改變。在機動車輛70在減速帶上行駛的示例性實施例中，乘客艙72的地板被設(shè)定為碳鋼，但是后備箱74、發(fā)動機艙76、門、頂和支撐物被選自或者碳鋼或者鋁。在此種情形下，域22的一部分被設(shè)定為特定的材料類型28，以及其它的部分包括多種材料類型28。在其它的實施例中，存在超過兩種材料類型28，包括但不限于碳鋼、各種各樣的聚合體、鋁、玻璃、木材等等。多種材料類型28的特性被輸入或者從數(shù)據(jù)庫17被調(diào)用，因此材料特性被并入來確定拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算中。
[0036]在一些實施例中，目標(biāo)函數(shù)30作為問題的一部分被輸入，其中目標(biāo)函數(shù)30通過有限元分析計算被優(yōu)化?；仡櫃C動車輛70在減速帶上行駛的示例性實施例，目標(biāo)函數(shù)30是最小的應(yīng)變能。最小應(yīng)變能的目標(biāo)函數(shù)30產(chǎn)生帶有最堅固結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)最小應(yīng)變能的目標(biāo)函數(shù)30與受約束質(zhì)量的所需性能標(biāo)準26相結(jié)合時，獲得的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計是帶有指定質(zhì)量的最堅固的結(jié)構(gòu)。在另外的實施例中，其它目標(biāo)函數(shù)30能夠被使用，例如最小的質(zhì)量或最小的加速度。最小的加速度通常被使用來最小化給定的響應(yīng)，例如位移、速度、加速度、面積等等。
[0037]在一些實施例中，固定的域位置32作為問題約束20的一部分被輸入。固定的域位置32是域22的在有限元分析迭代計算期間不運動或不改變位置的點或區(qū)域。在機動車輛70在減速帶上行駛的示例中，整個機動車輛70運動，因此在問題約束20中可不存在固定的域位置32。然而，從機動車輛70的參照點來看，負載向量24能夠被模擬為在固定的機動車輛70的車輪78上施加的向上的力。因此，機動車輛70的車體能夠是固定的域位置32，其中在車輪78上的作用力通過車輪懸掛系統(tǒng)而被承載，該系統(tǒng)相對于機動車輛70的車體移動車輪78。實際上，機動車輛70的一些區(qū)域能夠被固定，因此其不運動。在許多實施例中，域22的一定的結(jié)構(gòu)或面積被固定用于有限元分析，但是在一些實施例中，不存在固定面積。
[0038]現(xiàn)在參照在圖4和圖5中所示的示例性實施例，一旦問題約束20被輸入計算機10，模型34被開發(fā)?；趯τ趩栴}約束20的輸入數(shù)據(jù)，計算機10被配置來開發(fā)模型34。在一些實施例中，額外的數(shù)據(jù)被輸入計算機10來引導(dǎo)模型34。輸入的域22被劃分成多個單元36，其中二維域22的整個表面面積被劃分成二維單元36，以及三維域22的整個體積被劃分成三維單元36。在域22內(nèi)的空腔，例如乘客艙，不是域22的部分，并且因此不被劃分成單元36。在一些實施例中，單元36的尺寸和形狀被輸入計算機10。然而，在另外的實施例中，算法使用預(yù)先確定的標(biāo)準來將域22劃分成單元36。大量的單元36通常產(chǎn)生更精細的模型，反之較小數(shù)量的單元36對于分析需要計算機較少的時間。在許多實施例中，對于二維域22單元36是三角形或矩形，以及在許多實施例中對于三維域22矩形塊或三角形棱錐被使用，但是其它的形狀被使用在另外的實施例中。對于在域22內(nèi)來改變單元36的形狀也是可能的。
[0039]單元36與材料類型28中的一種相關(guān)聯(lián)，并且每個單個的單元36僅與一種材料類型28相關(guān)聯(lián)。然而，輸入問題約束20中的材料類型28的每一種具有一些單元36與之關(guān)聯(lián)的。對于每個單個的單元36，有限元分析計算被限制于單種的材料類型28。因此，每個單元36僅與一種材料類型28相關(guān)聯(lián)，但是單元36的鄰近或附近處與不同的材料類型28相關(guān)聯(lián)。在具有兩種材料類型28的示意性實施例中，單元36中的一半與材料類型28的一種相關(guān)聯(lián)，并且單元36中的另一半與材料類型28的另一種相關(guān)聯(lián)。