CN110362912A - 介观结构优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种介观结构优化方法，采用拉丁超立方采样方法构建介观结构设计变量的初始样本点，采用MATLAB平台生成介观结构静态仿真模型的计算文件并提交至软件求解器进行计算，生成有限元仿真结果；最后通过自动化脚本对仿真的输出结果文件进行文本处理与数据提取，将样本点响应值输出为txt文件，完成介观结构优化过程中的建模仿真数据提取的自动化流程。本发明通过MATLAB调用操作***命令行、有限元分析软件和Python语言，编程实现无GUI界面的仿真建模，在需要求得大量样本点对应的响应值的情况下，通过多次循环可以实现不同样本点下的响应值数据提取，简化了优化过程中多次人工操作的繁琐，提升了优化效率。

Description

介观结构优化方法
技术领域
本发明涉及的是一种工程设计领域的技术，具体是一种采样、建模、仿真、数据提取自动化的介观结构优化方法。
背景技术
介观结构(Mesostructure)是指一类尺度介于宏观和微观之间的结构。常见基于增材制造(3D打印)的介观结构是一类晶格、管束结构(Lattices,trusses,and cellularstructure)，可以人为设计其结构的力学性质、热力学性质或光学性质等。
为了达到结构材料的最优表现，需要对结构进行优化设计。在结构优化设计过程中应用高精度分析模型在提高分析精度和可信度的同时也带来计算耗时的问题，过程中往往需要计算上百次甚至上千次设计变量的响应值。对于介观结构优化设计，一次分析模型的计算包括采样、建模、仿真、数据提取，且每个计算步骤需人工操作完成，总体计算耗时大，效率低，行之有效的流程化计算方法尚且缺乏。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种介观结构优化方法，避免了采样、建模、计算、数据提取过程多个环节中的人工操作；对于大量样本点，避免了样本点之间连续人工操作建模计算的耗时，大大地减少了介观结构优化设计的计算代价，提高了优化设计方法的效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种介观结构优化方法，采用拉丁超立方采样方法构建介观结构设计变量的初始样本点，采用MATLAB平台生成介观结构静态仿真模型的计算文件并提交至软件求解器进行计算，生成有限元仿真结果；最后通过自动化脚本(shell)对仿真的输出结果文件进行文本处理与数据提取，将样本点响应值输出为txt文件，完成介观结构优化过程中的建模仿真数据提取的自动化流程。
所述的拉丁超立方采样方法(Latin Hypercube Sampling，LHS)通过约束随机生成相对均匀的布满设计空间的样本点，每个设计变量的设计空间都被均匀划分，并且每个设计变量水平只使用一次，能以较少样本点反映整个设计空间的特性，计算量少，不受限于设计变量数量与样本点数量，应用较为灵活。
所述的介观结构设计变量用于反映介观结构的主要力学性质，包括：杨氏模量与泊松比，设计变量的不同水平代表不同结构和性质的介观结构。
所述的有限元仿真结果包括静态仿真和动态仿真。
本发明涉及一种实现上述方法的***，包括：数据采样模块、介观结构模型生成模块、介观结构模型计算模块和仿真结果数据提取模块，其中：数据采样模块与介观结构模型生成模块相连并对介观结构的设计变量进行采样生成训练样本点集并将数据传递给介观结构模型生成模块；介观结构模型生成模块与介观结构模型计算模块相连并进行无界面参数化建模生成介观结构模型，将仿真模型文件传输给介观结构模型计算模块；介观结构模型计算模块与仿真结果数据提取模块相连通过调用***命令行在软件求解器中提交计算，获取设计变量输出数据并传递给仿真结果数据提取模块；仿真结果数据提取模块对介观结构仿真模型的计算结果数据进行后处理与数据提取并输出保存为文件。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过MATLAB调用操作***命令行、有限元分析软件和Python语言，编程实现无GUI界面的仿真建模，继而实现介观结构优化建模过程中的采样、建模、仿真和数据提取的自动化流程方法；在需要求得大量样本点对应的响应值的情况下，通过多次循环可以实现不同样本点(设计变量不同水平)下的响应值数据提取，简化了在介观结构优化过程中多次人工操作的繁琐，提升了优化效率。
附图说明
图1为本发明计算机程序***模块示意图；
图2为本发明流程图；
图3为本发明介观单胞结构及其主要力学性质示意图；
图4为本发明介观单胞结构构成的静态仿真结构件及其边界条件示意图；
其中：a为静态仿真结构件，b为边界条件；
图5为本发明介观结构优化静态仿真过程中文件和程序的流程示意图；
其中：a为文件流程示意图，b为程序流程示意图；
图6为本发明介观单胞结构构成的动态仿真结构件及其边界条件示意图；
其中：a为动态仿真结构件，b为边界条件；
图7为本发明介观结构优化动态仿真过程中文件和程序的流程示意图。
具体实施方式
如图2所示，为本实施例涉及的介观单胞结构。三种不同的单胞具有不同的杨氏模量与泊松比，由此介观结构组成的结构件的优化，即对结构件中的每一个介观结构，选择最优的单胞结构，使结构件力学性能最优。
如图3所示，结构件由3*4个介观单胞结构组成，共有12个设计变量；其有限元模型被设置成壳单元，每个单胞结构划分为51*51个四边形网格；结构件分别受到一边固定边界、两边自由边界、一边均布力压缩和一段固定边界、两边自由边界、一边剪切力的两种静态载荷工况。静态工况下的优化目标是使两种载荷下结构件顶端中点位移都最小，是多目标优化问题。
如图1所示，本实施例采用拉丁超立方采样方法构建介观结构设计变量的初始样本点，采用MATLAB平台生成介观结构静态仿真模型的计算文件并提交至软件求解器进行计算，分别进行有限元静态仿真和有限元动态仿真；最后通过自动化脚本(shell)对仿真的输出结果文件进行文本处理与数据提取，将样本点响应值输出为txt文件，完成介观结构优化过程中的建模仿真数据提取的自动化流程。
如图4所示，所述的有限元静态仿真，具体步骤包括：
步骤一、根据介观结构优化的任务要求建立全局优化问题，确定设计变量、设计空间A，设定初始样本点数N＝400，并令迭代计数参数i＝1。
步骤二、当i＝1，进行初始样本点设计，采用拉丁超立方试验设计方法在设计空间A内获得N个初始试验样本点输入值，保存为StaticDOE.mat。
步骤三、用MATLAB读取StaticDOE.mat中样本点输入值，并依此编辑文本进行参数化建模，建立介观结构静态仿真模型的inp文件，命名为i_struct_case1.inp和i_struct_case2.inp，分别对应静态的压缩载荷和剪切载荷下的仿真模型。
步骤四、用MATLAB调用命令行cmd.exe，将i_struct_case1.inp和i_struct_case2.inp分别提交至ABAQUS求解器进行计算，生成相应的输出场文件i_struct_case1.odb和
i_struct_case2.odb。
步骤五、用MATLAB调用Python程序post_process.py，提取出输出场文件
i_struct_case1.odb和i_struct_case2.odb里最后一个框架时结构件上端中点的位移，并保存为文本文件NodeDisp.txt。
步骤六、迭代参数i＝i+1，重复步骤3至步骤5，程序获取不同样本点的相应响应值，并输出为文本文件。
所述的步骤三中的inp文件声明了该结构的节点编号、节点集合、单元编号、单元集合、材料属性、边界条件和加载方式，其中材料为钢，杨氏模量E＝210000MPa，泊松比μ＝0.3，密度E＝7.9g/cm3，均布力F＝100N。
如图5所示，结构件由8个3*5介观单胞结构构成的板壳结构件相互正交组成，其对称性共有36个设计变量，有限元模型被设置成壳单元，每个单胞结构划分为51*51个四边形网格；结构件低端固定，受到初速为1m/s的刚性平板的冲击作用。动态工况下的优化目标是使结构件在碰撞变形过程中的最大节点位移最小和吸收动能最大，是多目标优化问题。
如图6所示，所述的有限元动态仿真，具体步骤包括：
步骤1、根据介观结构优化的任务要求建立全局优化问题，确定设计变量、设计空间A，设定初始样本点数N＝400，并令迭代计数参数i＝1。
步骤2、当i＝1，进行初始样本点设计，采用拉丁超立方试验设计方法在设计空间A内获得N个初始试验样本点输入值，保存为StaticDOE.mat。
步骤3、用MATLAB读取DynamicsDOE.mat中样本点输入值，并依此编辑文本进行参数化建模，建立介观结构动态仿真模型的k文件，命名为i_Main_1rash.k，其中包含节点信息文件i_design_mesh.dyn和接触设置文件i_AnaMod.Part.dyn。
步骤4、用MATLAB生成批处理文件kFileCal.cmd，在命令行cmd.exe中运行，将i_Main_1rash.k提交至LS-Dyna求解器进行计算，生成相应的输出数据文件d3plot。
步骤5、用MATLAB生成批处理文件LSPPcmd.cfile，在命令行cmd.exe中运行，调用LS-Dyna自带的LS-Prepost后处理软件对输出数据文件进行后处理，输出动态仿真的位移随时间曲线和吸收动能随时间曲线。
步骤6、用MATLAB调用Python程序XDispGet.py，提取出曲线中碰撞过程的最大位移，并保存为文本文件XDisp.txt；用MATLAB调用Python程序EnergyGet.py，提取出曲线中碰撞过程的最大吸收动能，并保存为文本文件Energy.txt。
步骤7、迭代参数i＝i+1，重复步骤3至步骤6，程序获取不同样本点的相应响应值，并输出为文本文件。
所述的步骤3中的k文件声明了该结构的节点编号、节点集合、单元编号、单元集合、材料属性、边界条件和加载方式，其中材料为钢，杨氏模量E＝210000MPa，泊松比μ＝0.3，密度E＝7.9g/cm3，初始速度u＝1m/s。
经过具体实际实验，将介观结构设计变量的参数设置为3个水平，其中静态仿真结构件有12个设计维度，动态仿真结构件有36个设计维度，分别采集400组样本点作为训练集。在Windows 10环境下64核CPU中央处理器上运行上述方法计算仿真模型，并进行后处理和数据提取处理，能够将介观结构有限元模型静态仿真的计算成本减少至26分钟，将介观结构有限元模动态仿真的计算成本减少至2509分钟。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种介观结构优化方法，其特征在于，采用拉丁超立方采样方法构建介观结构设计变量的初始样本点，采用MATLAB平台生成介观结构静态仿真模型的计算文件并提交至软件求解器进行计算，生成有限元仿真结果；最后通过自动化脚本对仿真的输出结果文件进行文本处理与数据提取，将样本点响应值输出为txt文件，完成介观结构优化过程中的建模仿真数据提取的自动化流程；所述的有限元仿真结果包括静态仿真和动态仿真。
2.根据权利要求1所述的介观结构优化方法，其特征是，所述的静态仿真，具体包括：
步骤一、根据介观结构优化的任务要求建立全局优化问题，确定设计变量、设计空间A，设定初始样本点数N＝400，并令迭代计数参数i＝1；
步骤二、当i＝1，进行初始样本点设计，采用拉丁超立方试验设计方法在设计空间A内获得N个初始试验样本点输入值，保存为StaticDOE.mat；
步骤三、用MATLAB读取StaticDOE.mat中样本点输入值，并依此编辑文本进行参数化建模，建立介观结构静态仿真模型的inp文件，命名为i_struct_case1.inp和i_struct_case2.inp，分别对应静态的压缩载荷和剪切载荷下的仿真模型；
步骤四、用MATLAB调用命令行cmd.exe，将i_struct_case1.inp和i_struct_case2.inp分别提交至ABAQUS求解器进行计算，生成相应的输出场文件i_struct_case1.odb和i_struct_case2.odb；
步骤五、用MATLAB调用Python程序post_process.py，提取出输出场文件i_struct_case1.odb和i_struct_case2.odb里最后一个框架时结构件上端中点的位移，并保存为文本文件NodeDisp.txt；
步骤六、迭代参数i＝i+1，重复步骤3至步骤5，程序获取不同样本点的相应响应值，并输出为文本文件。
3.根据权利要求2所述的介观结构优化方法，其特征是，步骤三中的inp文件声明了该结构的节点编号、节点集合、单元编号、单元集合、材料属性、边界条件和加载方式，其中材料为钢，杨氏模量E＝210000MPa，泊松比μ＝0.3，密度E＝7.9g/cm3，均布力F＝100N。
4.根据权利要求1所述的介观结构优化方法，其特征是，所述的动态仿真，具体包括：
步骤1、根据介观结构优化的任务要求建立全局优化问题，确定设计变量、设计空间A，设定初始样本点数N＝400，并令迭代计数参数i＝1；
步骤2、当i＝1，进行初始样本点设计，采用拉丁超立方试验设计方法在设计空间A内获得N个初始试验样本点输入值，保存为StaticDOE.mat；
步骤3、用MATLAB读取DynamicsDOE.mat中样本点输入值，并依此编辑文本进行参数化建模，建立介观结构动态仿真模型的k文件，命名为i_Main_1rash.k，其中包含节点信息文件i_design_mesh.dyn和接触设置文件i_AnaMod.Part.dyn；
步骤4、用MATLAB生成批处理文件kFileCal.cmd，在命令行cmd.exe中运行，将i_Main_1rash.k提交至LS-Dyna求解器进行计算，生成相应的输出数据文件d3plot；
步骤5、用MATLAB生成批处理文件LSPPcmd.cfile，在命令行cmd.exe中运行，调用LS-Dyna自带的LS-Prepost后处理软件对输出数据文件进行后处理，输出动态仿真的位移随时间曲线和吸收动能随时间曲线；
步骤6、用MATLAB调用Python程序XDispGet.py，提取出曲线中碰撞过程的最大位移，并保存为文本文件XDisp.txt；用MATLAB调用Python程序EnergyGet.py，提取出曲线中碰撞过程的最大吸收动能，并保存为文本文件Energy.txt；
步骤7、迭代参数i＝i+1，重复步骤3至步骤6，程序获取不同样本点的相应响应值，并输出为文本文件。
5.根据权利要求4所述的介观结构优化方法，其特征是，步骤3中的k文件声明了该结构的节点编号、节点集合、单元编号、单元集合、材料属性、边界条件和加载方式，其中材料为钢，杨氏模量E＝210000MPa，泊松比μ＝0.3，密度E＝7.9g/cm3，初始速度u＝1m/s。
6.一种实现上述任一权利要求所述方法的***，其特征在于，包括：数据采样模块、介观结构模型生成模块、介观结构模型计算模块和仿真结果数据提取模块，其中：数据采样模块与介观结构模型生成模块相连并对介观结构的设计变量进行采样生成训练样本点集并将数据传递给介观结构模型生成模块；介观结构模型生成模块与介观结构模型计算模块相连并进行无界面参数化建模生成介观结构模型，将仿真模型文件传输给介观结构模型计算模块；介观结构模型计算模块与仿真结果数据提取模块相连通过调用***命令行在软件求解器中提交计算，获取设计变量输出数据并传递给仿真结果数据提取模块；仿真结果数据提取模块对介观结构仿真模型的计算结果数据进行后处理与数据提取并输出保存为文件。
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