本发明属于高精尖工程结构的高性能设计,涉及一种面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法。
背景技术:
1、随着现代工业的迅猛发展,工程设计领域对结构的要求变得越来越复杂和多样化,传统的结构拓扑优化方法在应对这些复杂需求时显得力不从心。结构拓扑优化是通过在给定的设计空间内寻找最佳材料分布,以满足特定性能指标的一种优化方法。然而,随着设计需求的增加,尤其是在航空航天、汽车制造、建筑工程等高要求领域,传统拓扑优化方法的局限性逐渐显现,难以满足工程实际应用中的高精度、高效率和高复杂性需求。
2、当前新兴的拓扑优化方法大多侧重于二维设计域内的有效性研究,而忽略了三维设计域内的求解效率和工程实用性。现有的方法在处理三维结构时,往往需要较大的计算资源和时间成本,特别是在处理复杂几何结构和大规模网格时,传统方法表现出明显的性能瓶颈。这种计算效率的不足,不仅限制了拓扑优化在复杂工程中的应用,还导致了优化过程中的延迟,影响了设计的及时性和经济性。
3、其次,许多新提出的拓扑优化方法大多基于matlab等高级计算软件平台实现。这些平台在算法验证和小规模计算方面具有一定的优势,但在实际工程应用中,由于计算能力的限制,它们在处理大规模三维网格时表现不佳。通常,这些方法只能处理数十万到数百万个网格单元,且计算效率低下,无法满足工业界对大规模复杂结构优化的需求。这种性能的不足,使得这些方法在实际工程应用中受到很大的限制,难以发挥其应有的效果。
4、此外,由于cad(计算机辅助设计)和cae(计算机辅助工程)之间的基函数不同,现有的拓扑优化方法往往无法直接与cad模型进行交互。这种障碍导致了优化设计与实际工程模型之间存在较大的差距,增加了设计前期的工作量和时间成本。在传统设计流程中,cad模型通常需要经过多次的手动调整和重新生成,以满足cae分析的要求。这不仅增加了设计的复杂性,还可能导致优化结果与实际工程需求不一致,从而影响最终产品的性能和质量。
5、随着计算机技术的发展,特别是多核处理器和并行计算技术的进步,为解决上述问题提供了新的途径。并行计算技术可以通过同时处理多个计算任务,大幅提升计算效率,特别是在大规模有限元分析和拓扑优化中,并行计算技术的应用前景非常广阔。利用并行计算技术,可以显著降低拓扑优化过程中的计算时间,提高优化结果的精度和可靠性。然而,目前的研究和应用中,如何将并行计算技术有效地集成到拓扑优化设计流程中,仍然是一个亟待解决的问题。
6、综上所述,现有的拓扑优化方法在处理复杂结构时,面临着计算效率低、与cad模型兼容性差、以及计算规模受限等问题。这些问题不仅限制了拓扑优化方法在实际工程中的应用,还影响了设计结果的质量和性能。
技术实现思路
1、本发明的技术方案用于解决cad与cae之间彼此分裂、网格生成质量差且耗时,以及大规模网格计算效率低的问题。
2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的:
3、一种面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法,包括:
4、隐式识别模型:对以stl文件格式存储的cad模型的几何信息进行缩放操作和平移操作;完成模型的缩放和平移后,为背景网格中的每个节点计算符号距离场的值;符号距离场生成后,进行水平集函数的初始化;
5、cpu并行有限元分析:将结构模型划分为多个子区域,通过定义私有区和共享区,并引入本地域和重影域的概念,并在每个子区域内进行并行的有限元分析;
6、参数化水平集拓扑优化:采用参数化与水平集方法相结合,通过调节参数来生成不同的拓扑构型,水平集方法用于描述结构的边界,并通过逐步演化这些边界来优化结构的拓扑,通过将多工况条件纳入拓扑优化过程中,在多种工况下同时优化结构,从而设计出具有更高稳定性与可靠性的结构方案。
7、进一步地,所述的缩放操作的方法如下:通过遍历stl文件中每个顶点的坐标信息,找到模型在x、y、z三个方向上的最大值和最小值,从而计算出模型在各个法向方向上的尺寸;将背景网格在各个方向上的尺寸分别除以模型在相应方向上的尺寸,得到三个缩放因子;选择其中最小的缩放因子,将其应用于模型的所有坐标值,以完成模型的缩放操作。
8、进一步地,所述的平移操作的方法如下:再次遍历模型的所有顶点,获取它们的最小x、y、z坐标信息,然后将所有顶点的x、y、z坐标分别减去相应的最小值,以完成模型的平移操作。
9、进一步地,所述的计算符号距离场的值的方法如下:遍历背景网格中的每个节点,判断其相对于模型的位置;如果节点位于模型外部,则其符号距离场的值为负;如果节点位于模型内部,则其值为正;符号距离场的绝对值则等于该节点到模型表面的最小距离。
10、进一步地,通过符号距离场的值和紧支径向基函数计算出每个节点的水平集函数值;截取水平集函数的零等值面,即得到由水平集函数描述的初始模型。
11、进一步地,当紧支域的半径等于一个单元长度时,定义共享区为距离分区边界在一个单元长度以内的所有单元集合,私有区为不属于共享区的单元。
12、进一步地,所述的本地域由当前处理器核心的私有区和共享区共同组成,包括该处理器核心负责的所有网格单元及其对应的csrbf紧支撑与内的单元,确保处理器在进行csrbf计算时拥有所有必要的节点信息。
13、进一步地,所述的重影域则是当前处理器核心从相邻处理器核心获取的共享区信息,提供位于本地域边界的节点所需的相邻节点数据。
14、一种电子设备,包括存储器以及处理器,所述存储器用于存储支持处理器执行上述面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法的程序,所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
15、一种存储介质,存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器运行时执行上述面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法的步骤。
16、本发明的优点在于:
17、本发明提出的拓扑优化并行计算设计框架,通过引入参数化水平集方法、并行有限元分析技术以及与cad模型的无缝集成,显著提升了复杂结构的拓扑优化效率和精度,并具有广泛的工程应用前景;该框架不仅解决了传统拓扑优化方法的诸多问题,还为工程设计领域提供了一种高效、实用的优化设计工具;本发明提出的方法能够在处理复杂cad模型时,显著提高拓扑优化的效率和精度,解决现有技术中存在的cad与cae之间沟通不足、网格生成质量差、计算效率低等问题,具有广泛的工程应用前景。
1.一种面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法,其特征在于,包括:
2.根据权利要求1所述的面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法,其特征在于,所述的缩放操作的方法如下:通过遍历stl文件中每个顶点的坐标信息,找到模型在x、y、z三个方向上的最大值和最小值,从而计算出模型在各个法向方向上的尺寸;将背景网格在各个方向上的尺寸分别除以模型在相应方向上的尺寸,得到三个缩放因子;选择其中最小的缩放因子,将其应用于模型的所有坐标值,以完成模型的缩放操作。
3.根据权利要求2所述的面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法,其特征在于,所述的平移操作的方法如下:再次遍历模型的所有顶点,获取它们的最小x、y、z坐标信息,然后将所有顶点的x、y、z坐标分别减去相应的最小值,以完成模型的平移操作。
4.根据权利要求1所述的面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法,其特征在于,所述的计算符号距离场的值的方法如下:遍历背景网格中的每个节点,判断其相对于模型的位置;如果节点位于模型外部,则其符号距离场的值为负;如果节点位于模型内部,则其值为正;符号距离场的绝对值则等于该节点到模型表面的最小距离。
5.根据权利要求4所述的面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法,其特征在于,通过符号距离场的值和紧支径向基函数计算出每个节点的水平集函数值;截取水平集函数的零等值面,即得到由水平集函数描述的初始模型。
6.根据权利要求1所述的面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法,其特征在于,当紧支域的半径等于一个单元长度时,定义共享区为距离分区边界在一个单元长度以内的所有单元集合,私有区为不属于共享区的单元。
7.根据权利要求1所述的面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法,其特征在于,所述的本地域由当前处理器核心的私有区和共享区共同组成,包括该处理器核心负责的所有网格单元及其对应的csrbf紧支撑与内的单元,确保处理器在进行csrbf计算时拥有所有必要的节点信息。
8.根据权利要求1所述的面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法,其特征在于,所述的重影域则是当前处理器核心从相邻处理器核心获取的共享区信息,提供位于本地域边界的节点所需的相邻节点数据。
9.一种电子设备,包括存储器以及处理器,其特征在于,所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1至8任一项所述面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法的程序,所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
10.一种存储介质,存储介质上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1至8任一项所述面向任意形状cad模型的cpu并行参数化水平集拓扑优化方法的步骤。