非连续等几何重分析快速计算方法

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等几何分析是21世纪初由国外学者提出的新型有限元分析方法,相较于传统有限元分析,该方法基于非均匀有理B样条基函数进行计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)分析,实现了计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)和CAE模型的无缝连接,也为闭环优化提供了理论依据。但由于非均匀有理B样条基函数张量积形式的局限性,当其用于构建复杂几何模型时易造成模型的不连续,导致CAE分析无法进行。为解决该问题并充分发挥等几何分析在CAD与CAE模型一体化集成方面的优势,本文所做主要工作如下:(1)建立了基于非连续等几何模型的重分析计算方法基于Nitsche方法对模型中的非连续边界施加弱连续性约束,实现非连续模型的等几何分析。针对因几何不连续而导致的奇异应力设计了一种应力平滑算法:基于三次样条函数对边界处的奇异应力进行插值修正,同时保证了边界处应力的连续性。针对等几何模型设计过程中可能出现的多次计算,引入重分析技术加速求解过程,且模型规模越大,求解效率提升越明显。(2)建立了针对非连续等几何模型的快速闭环优化框架将针对非连续等几何模型的重分析方法应用于优化问题当中,结合粒子群优化算法,首次搭建了非连续模型快速闭环优化框架,实现了对于非连续模型的高效闭环优化。将等几何模型中控制点的位置信息作为优化参数,发挥等几何分析的优势,直接通过改变控制点坐标优化结构应力,得到最优结构形貌。(3)基于所提出的闭环优化框架开发了一套快速计算程序在Matlab的编译环境中,基于所述闭环优化框架开发了一套快速计算程序,并利用该程序实现了对于多片复杂非连续等几何模型的结构优化。算例分析结果表明,本文提出的非连续等几何重分析快速计算方法将模型的位移及应力误差均控制在可接受的范围内,对于优化问题的实际求解时间节约百分之七十以上。综上所述,本文所提出的非连续等几何重分析快速计算方法有效解决了非连续等几何模型的静力分析与快速结构优化问题。该方法对等几何分析应用于实际工程领域具有一定参考价值。
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