一种面向WAAM增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法与流程

一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法
技术领域
1.本技术涉及结构优化技术领域，具体而言，涉及一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法。


背景技术：

2.薄壁结构由于其具备承载效率高、重量轻以及空间性好等特点，被广泛应用于卫星、载人飞船、空间站等航天器的重要结构部件中，为了增强薄壁结构的承载能力，近几十年来众多专家学者通过多种方法来分析和增强薄壁结构的强度、刚度以及稳定性，并将薄壁加筋结构作为最有效和成本最低的结构形式之一。目前，薄壁加筋结构的拓扑优化方法主要有如下几种：第一种是，加强筋的形状和尺寸优化框架，用于对复杂的多功能飞机结构上的曲线型加筋板结构进行设计和优化；第二种是，采用模拟退火算法和遗传算法来优化曲线型格栅加筋复合板的蒙皮纤维和加强筋的曲线轨迹；第三种是，改进自适应形态发生算法，并将其与混合遗传算法和鲁棒优化算法结合，同时用于确定加筋板的最优几何形状。
3.然而，上述薄壁加筋结构的优化方法，通常是基于背景网格像素单元的隐式拓扑优化方法或者依赖于背景结构的生长类优化算法，存在设计变量多、工艺约束添加难度大以及特征尺寸难于控制的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，以解决现有薄壁加筋结构优化方法中，设计变量多、工艺约束添加难度大及特征尺寸难于控制的问题。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，包括：
6.在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，每个筋条组件用于描述一根薄壁加强筋的筋条；
7.针对每根筋条组件，确定该筋条组件对应的显式描述模型，显式描述模型包括筋条组件的几何参数；
8.在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，显式拓扑优化模型包括设计变量，设计变量包括各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数；
9.迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度；
10.当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。
11.可选地，确定该筋条组件对应的显式描述模型，包括：确定该筋条组件对应的骨架描述方程、中面描述方程以及外边界轮廓方程；由骨架描述方程、中面描述方程以及外边界
轮廓方程共同组成该筋条组件对应的显式描述模型。
12.可选地，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，包括：将各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数确定为设计变量，并确定薄壁加筋结构对应的约束条件以及优化目标；基于设计变量以及约束条件构建约束函数，基于设计变量以及优化目标构建目标函数；由约束函数、目标函数以及显式描述模型构成显式拓扑优化模型。
13.可选地，迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度，包括：确定显式拓扑优化模型对应的灵敏度计算公式，灵敏度计算公式包括与目标函数对应的第一灵敏度公式以及与约束函数对应的第二灵敏度公式；将迭代调整后的各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值输入值第一灵敏度公式以及第二灵敏度公式，分别确定目标函数对应的第一灵敏度以及约束函数对应的第二灵敏度；由第一灵敏度以及第二灵敏度构成显式拓扑优化模型的灵敏度。
14.可选地，在当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果之后，还包括：在保证加筋结构连通性的前提下，从筋条组件中删除尺寸小于尺寸阈值的组件。
15.可选地，在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，包括：获取目标薄壁的薄壁尺寸；基于薄壁尺寸确定筋条组件的数量以及每个筋条组件的尺寸；根据初始结构约束，将多个筋条组件设置在目标薄壁对应的基底模型上。
16.可选地，当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果，包括：当灵敏度满足收敛条件时，对设计变量的取值进行有限元模型校核分析，确定设计变量的取值是否符合约束条件以及优化目标；若符合约束条件以及优化目标，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。
17.第二方面，本技术实施例还提供了一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计装置，所述装置包括：
18.组件设置模块，用于在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，每个筋条组件用于描述一根薄壁加强筋的筋条；
19.描述模型确定模块，用于针对每根筋条组件，确定该筋条组件对应的显式描述模型，显式描述模型包括筋条组件的几何参数；
20.优化模型确定模块，用于在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，显式拓扑优化模型包括设计变量，设计变量包括各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数；
21.灵敏度计算模块，用于迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度；
22.优化结果确定模块，用于当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。
23.本技术实施例带来了以下有益效果：
24.本技术实施例提供的一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，能够通过筋条组件的显式描述模型来对筋条的几何尺寸及位置进行描述，并在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，实现加筋结构的路径连通，通过调整驱动节点的坐标以及筋条组件
的几何参数来调整加筋路径，并根据显式拓扑优化模型的灵敏度来确定迭代调整后的设计变量是否达到最优，从而实现薄壁加筋结构的拓扑优化，与现有技术中的薄壁加筋结构优化设计方法相比，解决了现有薄壁加筋结构优化方法中，设计变量多、工艺约束添加难度大及特征尺寸难于控制的问题。
25.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1示出了本技术实施例所提供的面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法的流程图；
28.图2示出了本技术实施例所提供的筋条组件布局的结构示意图；
29.图3示出了本技术实施例所提供的直线型筋条组件的几何描述示意图；
30.图4示出了本技术实施例所提供的直线型筋条组件的外边界示意图；
31.图5示出了本技术实施例所提供的筋条组件及驱动节点的布局结构示意图；
32.图6示出了本技术实施例所提供的薄壁加筋结构拓扑优化初步结果的示意图；
33.图7示出了本技术实施例所提供的面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计装置的结构示意图。
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的每个其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.值得注意的是，在本技术提出之前，薄壁结构由于其具备承载效率高、重量轻以及空间性好等特点，被广泛应用于卫星、载人飞船、空间站等航天器的重要结构部件中，为了增强薄壁结构的承载能力，近几十年来众多专家学者通过多种方法来分析和增强薄壁结构的强度、刚度以及稳定性，并将薄壁加筋结构作为最有效和成本最低的结构形式之一。目前，薄壁加筋结构的拓扑优化方法主要有如下几种：第一种是，加强筋的形状和尺寸优化框架ebf3panelopt，用于对复杂的多功能飞机结构上的曲线型加筋板结构进行设计和优化；第二种是，采用模拟退火算法和遗传算法来优化曲线型格栅加筋复合板的蒙皮纤维和加强筋的曲线轨迹；第三种是，改进自适应形态发生算法，并将其与混合遗传算法和鲁棒优化算法结合，同时用于确定加筋板的最优几何形状。然而，上述薄壁加筋结构的优化方法，通常
是基于背景网格像素单元的隐式拓扑优化方法或者依赖于背景结构的生长类优化算法，存在设计变量多、工艺约束添加难度大以及特征尺寸难于控制的问题。
36.基于此，本技术实施例提供了一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，以降低设计变量数量及工艺约束添加难度，提升特征尺寸的易控制性。
37.请参阅图1，图1为本技术实施例所提供的一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法的流程图。如图1所示，本技术实施例提供的面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，包括：
38.步骤s101，在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件。
39.该步骤中，目标薄壁可指待加筋的薄壁结构。示例性的，目标薄壁可以是卫星的储箱结构。
40.基底模型可指目标薄壁的三维模型。
41.筋条组件可指用于表征加强筋的组件。其中，每个筋条组件用于描述一根薄壁加强筋的筋条。
42.在本技术实施例中，在面向waam增材制造的薄壁加筋结构进行优化设计时，可在目标薄壁对应的基底模型上设置多个筋条组件，每个筋条组件均可以在基底模型上自由移动和变形，通过对筋条组件的位置以及尺寸等信息的优化，最终实现对薄壁加强筋的优化设计。
43.在一可选实施例中，在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，包括：获取目标薄壁的薄壁尺寸；基于薄壁尺寸确定筋条组件的数量以及每个筋条组件的尺寸；根据初始结构约束，将多个筋条组件设置在目标薄壁对应的基底模型上。
44.具体的，在设置多个可移动变形的筋条组件时，首先确定目标薄壁的薄壁尺寸，以根据薄壁尺寸选取合适数量的筋条组件以及相应尺寸的筋条组件，这样可以提高薄壁加筋结构的拓扑优化效率。
45.另外，在确定了筋条组件的数量以及尺寸后，根据初始结构约束来将多个筋条组件设置在基底模型上，其中，初始结构约束是由目标薄壁自身的结构特征决定的。在设置筋条组件时，可以将不同的筋条组件进行交叉摆放，并将筋条组件的一端与另一个筋条组件的一端相连，形成筋条组件交叉阵列，即初始筋条组件布局。
46.下面参照图2来介绍初始筋条组件布局。
47.图2示出了本技术实施例所提供的初始筋条组件布局的结构示意图。
48.如图2所示，目标薄壁对应的基底模型为扇形，在基底模型上设置由多个筋条组件，由设置的多个筋条组件构成筋条初始布局。其中，多个筋条组件包括筋条组件211、筋条组件212、筋条组件213。
49.步骤s102，针对每根筋条组件，确定该筋条组件对应的显式描述模型。
50.该步骤中，显式描述模型可指描述筋条组件的外轮廓的数学模型。显式描述模型包括筋条组件的几何参数。
51.在本技术实施例中，基于移动可变形组件(moving morphable component，mmc)的拉格朗日框架，每根筋条组件的外轮廓均可以由它的几何参数进行显式描述。
52.在一可选实施例中，确定该筋条组件对应的显式描述模型，包括：确定该筋条组件对应的骨架描述方程、中面描述方程以及外边界轮廓方程；由骨架描述方程、中面描述方程
以及外边界轮廓方程共同组成该筋条组件对应的显式描述模型。
53.下面参照图3来介绍骨架描述方程以及中面描述方程。
54.图3示出了本技术实施例所提供的直线型筋条组件的几何描述示意图。
55.如图3所示，直线型骨架对应的长条型筋条组件的端点坐标分别为和其中和筋条组件的厚度表示为t，筋条组件的高度表示为h，筋条组件的中面表示为s0，ns表示骨架的外法线向量。其中，骨架描述方程为：
[0056][0057]
中面方程为：
[0058][0059]
上式中，μ∈[0，1]是一个凸组合的系数，η∈[0，1]是沿高度方向引入的参数。
[0060]
下面参照图4来介绍外边界轮廓方程。
[0061]
图4示出了本技术实施例所提供的直线型筋条组件的外边界示意图。
[0062]
如图4所示，筋条组件的6个面分别表示为s1、s2、s3、s4、s5、s6，各个面对应的外边界轮廓方程为：
[0063][0064][0065][0066][0067][0068][0069]
上式中，ns(μ)表示骨架的外法线向量，r∈[0,1]是引入的沿厚度方向的表征参数。
[0070]
如此，由骨架描述方程cs、中面方程s0以及六个外边界轮廓方程共同对筋条组件进行显式描述。
[0071]
步骤s103，在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型。
[0072]
该步骤中，显式拓扑优化模型包括设计变量，设计变量包括各个驱动节点的坐标
以及筋条组件的几何参数。
[0073]
驱动节点可指连接相邻两个筋条组件的节点，驱动节点用于连通加筋结构路径，并改变筋条组件的位置及尺寸。
[0074]
相邻筋条组件可指端点相邻接的筋条组件。如图1中的筋条组件211、筋条组件212以及筋条组件213相互之间互为相邻筋条组件。
[0075]
在本技术实施例中，确定筋条组件的显式描述模型后，可获得设置的每根筋条组件的几何参数，并通过mmc拓扑优化算法驱动筋条组件在薄壁基底模型上移动和变形，从而获得最优的筋条传力路径。然而，在只考虑力学性能的情况下，最优的加强筋路径不一定是连通的。在使用电弧增材(waam)工艺制造不连通的加强筋结构时，由于反复的起弧、熄弧，很容易形成弧坑塌陷，从而对结构的整体性能造成较大影响。
[0076]
因此，为了避免反复的起弧熄弧，有必要保证优化所得的加强筋结构路径是连通的。为此，在各个筋条组件的接头处引入驱动节点，并使得相邻筋条之间通过共有的驱动节点进行连接，再通过优化算法驱动共有的驱动节点移动，改变筋条组件位置。
[0077]
下面参照图5来介绍驱动节点。
[0078]
图5示出了本技术实施例所提供的筋条组件及驱动节点的布局结构示意图。
[0079]
如图5所示，相邻的筋条组件211、筋条组件212以及筋条组件213通过驱动节点221相连，其他相邻的筋条组件均通过驱动节点相连，由多个交叉摆放的筋条组件以及多个驱动节点构成初始加筋结构布局。这样，整个薄壁加筋结构的路径是连通的，可以避免反复的起弧熄弧。
[0080]
在一可选实施例中，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，包括：将各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数确定为设计变量，并确定薄壁加筋结构对应的约束条件以及优化目标；基于设计变量以及约束条件构建约束函数，基于设计变量以及优化目标构建目标函数；由约束函数、目标函数以及显式描述模型构成显式拓扑优化模型。
[0081]
具体的，显式拓扑优化模型中的优化列式包括设计变量、目标函数以及约束函数，该优化列式表示为：
[0082][0083]
i＝i(d)；
[0084]gi
(d)≤0,i＝1,
…
,n；
[0085][0086]
上式中，d表示设计变量向量，用于表征设计变量；dn表示由所有驱动节点的坐标所组成的向量，dc表示由所有筋条组件的几何参数构成的，例如：厚度t、高度h、端点坐标；i表示目标函数；gi(d)表示第i个约束函数；表示设计变量d的许可集。
[0087]
首先，确定目标薄壁对应的约束条件以及优化目标，以目标薄壁为卫星储箱为例，约束条件可以是整体结构的一阶频率不小于30hz，约束条件还可以是蒙皮及加筋结构厚度变化区间为1.5mm～25mm，优化目标可以是在载荷工况条件下使支撑结构的重量最轻。其中，约束条件可以是一个，也可以是多个；优化目标可以是一个，也可以是多个。
[0088]
然后，将约束条件转换为约束函数，将优化目标转换为目标函数。以优化目标为在
载荷工况条件下使支撑结构的重量最轻为例，则目标函数是重量的积分，目标函数的积分域是关于设计变量的域。由确定的约束函数、目标函数以及显式描述模型构成显式拓扑优化模型。当调整某一设计变量的取值时，整个初始加筋结构布局会发生相应的改变，使得初始加筋结构布局对应的全局显式描述模型的结果发生改变，以确定当前全局显式描述模型取值下显式拓扑优化模型对应的灵敏度。
[0089]
步骤s104，迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度。
[0090]
该步骤中，为了确定薄壁加筋结构的最优结果，需要不断对设计变量的取值进行调整，以确定在设计变量的不同取值下显式拓扑优化模型对应的灵敏度，根据灵敏度确定设计变量在哪种取值下的薄壁加筋结构最优。这里，采用迭代调整的方式，不断迭代驱动节点的坐标，以优化驱动节点位置；不断迭代筋条组件的几何尺寸，以优化尺寸变量得到筋条组件的最优尺寸结果。
[0091]
在一可选实施例中，迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度，包括：确定显式拓扑优化模型对应的灵敏度计算公式，灵敏度计算公式包括与目标函数对应的第一灵敏度公式以及与约束函数对应的第二灵敏度公式；将迭代调整后的各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值输入值第一灵敏度公式以及第二灵敏度公式，分别确定目标函数对应的第一灵敏度以及约束函数对应的第二灵敏度；由第一灵敏度以及第二灵敏度构成显式拓扑优化模型的灵敏度。
[0092]
具体的，在基于mmc框架的加筋结构拓扑优化方法中，将目标函数对应的第一灵敏度公式以及约束函数对应的第二灵敏度公式确定为显式拓扑优化模型对应的灵敏度计算公式，该灵敏度计算公式为：
[0093][0094]
上式中，表示加筋结构的所有外边界，表示加筋结构的所有外边界，表示第i根加强筋的外边界，nc表示加强筋的总数量；表示第i个外边界沿着的外法向速度场，由于每根筋条组件的边界都可以通过显式描述模型确定，因此可以很方便的求得
[0095]
假设，优化目标为支撑结构的重量最轻，则此时目标函数对应的第一灵敏度公式中f(u,v)＝ρ，ρ表示结构的材料密度。约束条件为整体结构的一阶频率不小于30hz，则此时约束函数对应的第二灵敏度公式中：
[0096][0097]
上式中，表示弹性模量；ε表示应变，u表示位移场，v表示虚位移，“:”表示张量符号双点积；ρu
·
v表示计算相关质量阵；ω1表示结构的基频。
[0098]
需要说明的是，不同的目标函数对应的f(u,v)是不同的，不同的约束函数对应的f(u,v)也是不同的。
[0099]
步骤s105，当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。
[0100]
该步骤中，当相邻两次迭代调整对应的灵敏度之差小于灵敏度阈值时，确定灵敏度满足收敛条件，于是停止对设计变量的迭代，并将此时设计变量的取值作为拓扑优化结果。此时设计人员可直接提取迭代结束时的设计变量向量，采用脚本建模的方式直接得出优化后的设计cad模型，避免了传统拓扑优化方法中需要进行灰度单元处理、几何特征提取等处理环节。
[0101]
下面参照图6来介绍薄壁加筋结构的拓扑优化初步结果。
[0102]
图6示出了本技术实施例所提供的薄壁加筋结构拓扑优化初步结果的示意图。
[0103]
如图6所示，各个驱动节点的当前位置即为拓扑优化后的结果，不同筋条组件的当前位置以及当前尺寸也是经过拓扑优化后的结果，其中，以虚线来表示因厚度过小而无法生产的筋条组件，以实线来表示符合设计要求的筋条组件，且不同粗细的实线代表不同尺寸的筋条组件。
[0104]
在一可选实施例中，当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果，包括：当灵敏度满足收敛条件时，对设计变量的取值进行有限元模型校核分析，确定设计变量的取值是否符合约束条件以及优化目标；若符合约束条件以及优化目标，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。
[0105]
具体的，在确定灵敏度满足收敛条件时，还需要对此时的设计变量取值进行验证。以上述示例为例，约束条件可以是整体结构的一阶频率不小于30hz，因此在对薄壁加筋结构进行验证时，需要对薄壁加筋结果的频率进行分析校核，假设确定结构的一阶频率为31.8hz，则表明满足设计要求。如果薄壁加筋结构还要满足强度以及刚度要求，则还需要对薄壁加筋结构的拓扑优化结果进行强度分析校核以及刚度分析校核，分别确定拓扑优化结果是否满足强度以及刚度要求。
[0106]
在一可选实施例中，在当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果之后，还包括：在保证加筋结构连通性的前提下，从筋条组件中删除尺寸小于尺寸阈值的组件。
[0107]
具体的，在获得薄壁加筋结构的拓扑优化初步结果后，可在确保结构连通性的前提下删除尺寸过小的筋条组件，即删除图6中虚线部分所对应的筋条组件，从而获得薄壁加筋结构的拓扑优化最终结果。
[0108]
可见，本技术是基于移动可变形组件拓扑优化框架，提出的一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构显式拓扑优化方法。本技术不同于以往的基于背景网格像素单元的隐式拓扑优化方法以及依赖于背景基结构的生长类优化算法，本技术采用明确几何参数的筋条组件作为拓扑优化的基元，通过引入加强筋共有的驱动节点控制加筋结构的连通性，以适应waam增材制造制造过程中减少启弧熄弧的工艺约束。
[0109]
与现有技术中面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法相比，本技术通过筋条组件的显式描述模型来对筋条的几何尺寸及位置进行描述，并在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，实现加筋结构的路径连通，通过调整驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数来调整加筋路径，并根据显式拓扑优化模型的灵敏度来确定迭代调整后的设计变量是否达到最优，从而实现薄壁加筋结构的拓扑优化，解决了现有薄壁加筋结构优化方法中，设计变量多、工艺约束添加难度大及特征尺寸难于控制的问题。
[0110]
基于同一发明构思，本技术实施例中还提供了与面向waam增材制造的薄壁加筋结
构优化设计方法对应的面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计装置，由于本技术实施例中的装置解决问题的原理与本技术实施例上述面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法相似，因此装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
[0111]
请参阅图7，图7为本技术实施例所提供的一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计装置的结构示意图。如图7中所示，所述面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计装置300包括：
[0112]
组件设置模块301，用于在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，每个筋条组件用于描述一根薄壁加强筋的筋条；
[0113]
描述模型确定模块302，用于针对每根筋条组件，确定该筋条组件对应的显式描述模型，显式描述模型包括筋条组件的几何参数；
[0114]
优化模型确定模块303，用于在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，显式拓扑优化模型包括设计变量，设计变量包括各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数；
[0115]
灵敏度计算模块304，用于迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度；
[0116]
优化结果确定模块305，用于当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。
[0117]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0118]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0119]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0120]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0121]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0122]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本技术的具体实施方式，用以说明本技术的技术方案，而非对其限制，本技术的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，其特征在于，包括：在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，每个筋条组件用于描述一根薄壁加强筋的筋条；针对每根筋条组件，确定该筋条组件对应的显式描述模型，所述显式描述模型包括筋条组件的几何参数；在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，所述显式拓扑优化模型包括设计变量，所述设计变量包括各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数；迭代调整所述各个驱动节点的坐标以及所述几何参数的取值，确定不同取值下所述显式拓扑优化模型的灵敏度；当所述灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定该筋条组件对应的显式描述模型，包括：确定该筋条组件对应的骨架描述方程、中面描述方程以及外边界轮廓方程；由所述骨架描述方程、中面描述方程以及外边界轮廓方程共同组成该筋条组件对应的显式描述模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，包括：将各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数确定为设计变量，并确定所述薄壁加筋结构对应的约束条件以及优化目标；基于所述设计变量以及约束条件构建约束函数，基于所述设计变量以及所述优化目标构建目标函数；由所述约束函数、目标函数以及显式描述模型构成显式拓扑优化模型。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述迭代调整所述各个驱动节点的坐标以及所述几何参数的取值，确定不同取值下所述显式拓扑优化模型的灵敏度，包括：确定所述显式拓扑优化模型对应的灵敏度计算公式，所述灵敏度计算公式包括与目标函数对应的第一灵敏度公式以及与约束函数对应的第二灵敏度公式；将迭代调整后的所述各个驱动节点的坐标以及所述几何参数的取值输入值所述第一灵敏度公式以及所述第二灵敏度公式，分别确定所述目标函数对应的第一灵敏度以及所述约束函数对应的第二灵敏度；由所述第一灵敏度以及所述第二灵敏度构成所述显式拓扑优化模型的灵敏度。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述当所述灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果之后，还包括：在保证加筋结构连通性的前提下，从筋条组件中删除尺寸小于尺寸阈值的组件。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，包括：获取所述目标薄壁的薄壁尺寸；基于所述薄壁尺寸确定筋条组件的数量以及每个筋条组件的尺寸；
根据初始结构约束，将多个筋条组件设置在目标薄壁对应的基底模型上。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果，包括：当所述灵敏度满足收敛条件时，对设计变量的取值进行有限元模型校核分析，确定所述设计变量的取值是否符合约束条件以及优化目标；若符合所述约束条件以及所述优化目标，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。8.一种面向waam增材制造的薄壁加筋结构优化设计装置，其特征在于，包括：组件设置模块，用于在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件，每个筋条组件用于描述一根薄壁加强筋的筋条；描述模型确定模块，用于针对每根筋条组件，确定该筋条组件对应的显式描述模型，所述显式描述模型包括筋条组件的几何参数；优化模型确定模块，用于在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型，所述显式拓扑优化模型包括设计变量，所述设计变量包括各个驱动节点的坐标以及筋条组件的几何参数；灵敏度计算模块，用于迭代调整所述各个驱动节点的坐标以及所述几何参数的取值，确定不同取值下所述显式拓扑优化模型的灵敏度；优化结果确定模块，用于当所述灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。

技术总结
本申请提供了一种面向WAAM增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，该方法包括：在目标薄壁对应的基底模型上设置多个可移动变形的筋条组件；针对每根筋条组件，确定该筋条组件对应的显式描述模型；在相邻筋条组件的接头处设置驱动节点，基于设置的多个驱动节点以及显式描述模型构建显式拓扑优化模型；迭代调整各个驱动节点的坐标以及几何参数的取值，确定不同取值下显式拓扑优化模型的灵敏度；当灵敏度满足收敛条件时，将此时设计变量的取值作为薄壁加筋结构的拓扑优化结果。通过采用上述面向WAAM增材制造的薄壁加筋结构优化设计方法，解决了现有薄壁加筋结构优化方法中，设计变量多、工艺约束添加难度大及特征尺寸难于控制的问题。问题。问题。


技术研发人员：张啸雨 刘畅 曾惠忠 杜宗亮 张少辉 张维声 谭沧海 周浩 郭旭
受保护的技术使用者：北京空间飞行器总体设计部
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/10/8