專利名稱：用于拓?fù)鋬?yōu)化中獲得工程產(chǎn)品的最佳設(shè)計的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機(jī)輔助工程設(shè)計優(yōu)化，更具體地說，涉及用于在工程產(chǎn)品設(shè)計中 提供高效、有效的拓?fù)鋬?yōu)化的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
今天，計算機(jī)輔助工程(CAE)已經(jīng)被用于在各種任務(wù)上輔助工程師，例如，分析、 模擬、設(shè)計、制造等。在傳統(tǒng)的工程設(shè)計程序中，CAE分析(例如，有限元分析(FEA)、有限差 分析、無網(wǎng)格分析、計算流體動力學(xué)(CFD)分析、減少噪聲-震動-刺耳聲(NVH)的模態(tài)分 析等)已經(jīng)被用于評估響應(yīng)(例如，壓力、位移等)。使用汽車設(shè)計作為例子，使用FEA分析 汽車的特殊版本或者設(shè)計，以獲得由于某些負(fù)荷條件引起的響應(yīng)。接下來通過基于特定目 的和約束來修改某些參數(shù)和設(shè)計變量(例如，鋼殼的厚度、框架的位置等)，工程師們將會 盡量改進(jìn)汽車的設(shè)計。另一種FEA被用于反映這些改變，直至達(dá)到“最佳”設(shè)計。但是，這 一方法通常取決于工程師的學(xué)識或者基于反復(fù)試驗方法。為了解決這個問題，使用了用于 識別“最佳”設(shè)計的系統(tǒng)化方法(被稱為設(shè)計優(yōu)化)。傳統(tǒng)上，采用計算機(jī)系統(tǒng)來執(zhí)行設(shè)計優(yōu)化，且設(shè)計優(yōu)化通常被分為三個類別尺 寸、形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化最適合用于生成最佳概念設(shè)計，其中用戶(也就是，工程師、 設(shè)計者等)不必像工程產(chǎn)品的形狀和/或尺寸那樣設(shè)置太多的約束條件。但是，存在與拓?fù)?優(yōu)化尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組件的拓?fù)鋬?yōu)化相關(guān)的問題，其中使用有限元分析(FEA)來計算復(fù) 雜結(jié)構(gòu)或者工程產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。特別是，拓?fù)鋬?yōu)化中的設(shè)計變量是連續(xù)的實數(shù)，其與FEA 模型中的材料模型相關(guān)。處理材料模型的無限可能性的難度包括執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化的程序非常 長、昂貴和不可行。因此，只能使用現(xiàn)有的用于拓?fù)鋬?yōu)化的方法來優(yōu)化相對簡單的結(jié)構(gòu)或被 簡化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。因此，期望有一種用于對工程產(chǎn)品的設(shè)計執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化的改進(jìn)的方法和 系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種用于改進(jìn)拓?fù)鋬?yōu)化以設(shè)計工程產(chǎn)品的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明 的一方面，定義了包含待優(yōu)化的設(shè)計域的工程產(chǎn)品。該設(shè)計域可以是該工程產(chǎn)品的一部分 或者是整個工程產(chǎn)品。定義至少一個設(shè)計目標(biāo)，使得優(yōu)化目的能夠?qū)崿F(xiàn)。也可以與設(shè)計目標(biāo) 一起定義一個或多個可選的設(shè)計約束條件。此外，設(shè)計域的最初配置由有限元分析網(wǎng)格或 者柵格中的多個有限元表示。每個單元都與一個設(shè)計變量相關(guān)。從用于設(shè)計域或者其一部 分的基線材料生成一組離散材料模型。每個離散材料模型代表設(shè)計變量的一特定非重疊范 圍。這一組離散材料模型被配置用于將設(shè)計變量的無限特性限制為有限數(shù)量的材料模型。根據(jù)另一方面，迭代拓?fù)鋬?yōu)化從設(shè)計域的初始配置開始。在每次迭代過程中，執(zhí)行 至少一次計算機(jī)輔助工程模擬，以評估各種負(fù)荷條件下整個工程產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。該工程 模擬使用其上安裝有FEA應(yīng)用模塊的計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的有限元分析來進(jìn)行。從FEA結(jié)果或者 結(jié)構(gòu)響應(yīng)中提取出每個單元的相關(guān)信息。然后使用合適的公式計算設(shè)計目標(biāo)(有些時候是
4目的功能)和可選約束條件。接下來根據(jù)所計算出的設(shè)計目標(biāo)和可選的約束條件更新每個 單元的設(shè)計變量。根據(jù)離散化機(jī)制，將合適的離散材料模型分配給每個單元。檢查總體收 斂，如果確定沒有達(dá)到收斂，則執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化的另一次迭代。在新的迭代過程中，在設(shè)計域 中使用更新后的材料模型。從FEA網(wǎng)格中將分配有對應(yīng)于臨界值以下的設(shè)計變量的離散材 料模型的那些單元清除。該迭代優(yōu)化一直繼續(xù)，直至已經(jīng)滿足總體收斂標(biāo)準(zhǔn)，或者已經(jīng)達(dá)到 預(yù)定的最大迭代次數(shù)。根據(jù)另一方面，迭代拓?fù)鋬?yōu)化基于有多個格點的混合細(xì)胞自動機(jī)(HCA)方法。每 個格點被映射到一個或多個單元或者代表設(shè)計域的有限元分析網(wǎng)格。為每個格點確定相鄰 的單元或者格點的列表，用于充分減少或者限制兩個相鄰格點之間的數(shù)字中斷，并促進(jìn)優(yōu) 化拓?fù)?。格點-單元的映射關(guān)系允許在工程模擬中計算出設(shè)計目標(biāo)和可選的約束條件，同 時在格點上執(zhí)行基于HCA的拓?fù)鋬?yōu)化。通過以下結(jié)合附圖對具體實施方式
的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點 將會變得顯而易見。


參照以下的描述、后附的權(quán)利要求和附圖，將會更好地理解本發(fā)明的這些和其它 特征、方面和優(yōu)點，其中圖1A是根據(jù)本發(fā)明的實施例將在拓?fù)鋬?yōu)化中使用的示范性設(shè)計域的透視圖，該 設(shè)計域由有限元網(wǎng)格中的多個有限元表示；圖1B是圖1A的設(shè)計域在一設(shè)計負(fù)荷條件下的透視圖；圖1C是圖1A的設(shè)計域在圖1B的負(fù)荷條件下的示范性可選設(shè)計的透視圖；圖2A-2B是根據(jù)本發(fā)明的實施例使用有限元分析和混合細(xì)胞自動機(jī)為工程產(chǎn)品 執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化以評估設(shè)計目的和可選約束條件的示范性過程的流程圖；圖3A是用于指定或者定義二維單元的鄰域(neighborhood)的兩個示范性方案的 示意圖；圖3B是用于指定或者定義三維單元的鄰域(neighborhood)的兩個示范性方案的 示意圖；圖3C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于將三維設(shè)計域轉(zhuǎn)換為二維橫截面的示范性映 射方案的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于離散連續(xù)設(shè)計變量的示范性方案的示意 圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的可用作示范性設(shè)計目標(biāo)的測量結(jié)果的材料能耗的 示意圖；以及圖6是計算機(jī)設(shè)備的主要組件的功能框圖，本發(fā)明的實施例可在該計算機(jī)設(shè)備中 實施。
具體實施例方式在此將參照圖1A-6討論本發(fā)明的實施例。但是本技術(shù)領(lǐng)域的人員將會理解，此處 參照附圖給出的詳細(xì)描述用作解釋的目的，而本發(fā)明延伸到這些有限的實施例之外。
首先參照圖1A，梁或者設(shè)計域100由兩端104a_b固定的多個有限元102表示。負(fù) 荷條件下的梁在圖1B中示出。負(fù)荷條件由從兩個固定端104a-b之間以初始速度(v。)112 接觸梁的圓柱110表示(為了便于觀看，圖示為一半打開的圓柱板)。圖3所示為在圖1B 的負(fù)荷條件下梁100的最佳設(shè)計120。作為拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，某些單元102已經(jīng)被清除(示 為空白空間122)。本技術(shù)領(lǐng)域的人員將會了解，梁(設(shè)計域)100通常是更復(fù)雜結(jié)構(gòu)(未圖示)中的 結(jié)構(gòu)組件的簡化。根據(jù)本發(fā)明的一方面，可以使用有限元分析應(yīng)用模塊并采用迭代拓?fù)鋬?yōu) 化來優(yōu)化梁100，從而對整個結(jié)構(gòu)執(zhí)行一個或多個工程模擬。此外，雖然此處所示的有限元 102是三維實體閉聯(lián)單元，但是也可以在迭代拓?fù)鋬?yōu)化中使用其它類型的有限元，例如殼單 元。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在圖2A-2B中集中示出了使用有限元分析對工程產(chǎn)品執(zhí)行基 于混合細(xì)胞自動機(jī)(HCA)的拓?fù)鋬?yōu)化的示范性過程200。過程200優(yōu)選地在軟件中執(zhí)行。在剛開始時，在步驟202，過程200接收對包含有待優(yōu)化設(shè)計域的工程產(chǎn)品的定 義。設(shè)計域可以是該工程產(chǎn)品的一部分，有時候是整個產(chǎn)品。在一個例子中，該工程產(chǎn)品包 括汽車，而設(shè)計域是汽車的緩沖器。在另一個例子中，圖1A-1C中所示的梁是該工程產(chǎn)品和 設(shè)計域。包含在定義中的還有一個或多個設(shè)計優(yōu)化目的或目標(biāo)、以及可選的設(shè)計約束條 件，例如，實現(xiàn)最小的重量的同時保持結(jié)構(gòu)完整性/強(qiáng)度，以滿足行業(yè)和/或政府規(guī)章制度。 設(shè)計域的基線材料在定義中進(jìn)行了規(guī)定。在步驟204，過程200獲得設(shè)計域的有限元分析(FEA)網(wǎng)格。FEA網(wǎng)格通常包括一 柵格中的多個有限元。在三維工程產(chǎn)品中，每個單元通常由與材料或者質(zhì)量密度相關(guān)的實 體閉聯(lián)單元(例如，單元102)表示。接下來，在步驟206，根據(jù)設(shè)計域的基線材料生成一組 離散材料模型。在迭代拓?fù)鋬?yōu)化中，每個單元被賦予一設(shè)計變量，該設(shè)計變量是取值于0到 1的連續(xù)實數(shù)。每個離散材料模型420對應(yīng)于圖4中所示的設(shè)計變量410的一部分。例如， 材料模型％與0和充分接近0的臨界數(shù)字之間的設(shè)計變量相關(guān)，材料模型叫與不同的范圍 相關(guān)，等等。最后，材料模型％與充分靠近設(shè)計變量一(1)的基線材料對應(yīng)。雖然示范性 的設(shè)計變量410的范圍為0到1，但是本技術(shù)領(lǐng)域的人員可以理解，可以使用其它的范圍來 代替。為了執(zhí)行優(yōu)化，必須建立使設(shè)計變量與材料特性相關(guān)的材料模型?？梢允褂?的一個示范性材料模型被稱為固體各向同性懲罰(Solid Isotropic Materialwith Penalization，簡稱SMP)模型，例如，SIMP模型使得材料特性與設(shè)計變量的關(guān)系如下質(zhì)量密度P i = Xi P。楊氏變量Evi =(Xi)p E。屈服應(yīng)力YSi =(Xi)vq YS。機(jī)械硬化ESi =(Xi)q ES。帶有下標(biāo)“0”的材料特性是基線材料的材料特性，而帶有下標(biāo)“ i ”的特性表示與 設(shè)計變量&對應(yīng)的材料。常量“p”和“q”是用于將材料特性校準(zhǔn)至數(shù)字公式的參數(shù)。使用 示范性的SIMP模型，可以建立一組離散材料模型。圖5是材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系示意圖， 可以由SIMP模型表現(xiàn)其特征。接下來在步驟212，過程200為FEA應(yīng)用模塊生成輸入文件，以對工程產(chǎn)品進(jìn)行一次或多次工程模擬。每次模擬都可以與一種負(fù)荷條件相關(guān)。某些設(shè)計要求多種負(fù)荷條件，例 如，汽車前方碰撞和斜碰影響。輸入文件的設(shè)計域部分在優(yōu)化程序中會被改變，因為分配給 設(shè)計域的每個單元的材料模型隨著設(shè)計變量而改變。在一個實施例中，工程產(chǎn)品的輸入文 件被分為兩個部分在優(yōu)化過程中不會改變的靜態(tài)部分、以及在每次迭代結(jié)束時被修改的 動態(tài)部分。對于拓?fù)鋬?yōu)化，適當(dāng)離散材料模型被賦予最初表示設(shè)計域的所有有限單元。在 接下來的迭代中，根據(jù)更新的設(shè)計變量，各個合適的離散材料模型被賦予每個有限元。在步 驟214，使用有限元分析來評估包含有設(shè)計域的整個結(jié)構(gòu)或其一部分，并且使用基于HCA的 方法來更新設(shè)計變量。步驟214的細(xì)節(jié)在圖2B和以下的相應(yīng)描述中給出。過程200繼續(xù)至判斷步驟215，其中確定優(yōu)化是否已經(jīng)收斂。覆蓋整個設(shè)計域的標(biāo) 準(zhǔn)通常被用于判斷步驟215，例如，設(shè)計域內(nèi)的所有單元的平均改變被用于確定優(yōu)化是否已 經(jīng)從上一次迭代中收斂。如果是，過程200結(jié)束。否則，過程200繼續(xù)至另一判斷步驟216，以確定是否已經(jīng)達(dá)到允許的預(yù)定最大迭 代次數(shù)。如果“是”，過程200結(jié)束。如果“否”，過程200在步驟217根據(jù)更新后的設(shè)計變 量將合適的離散材料模型賦予每個單元，并在步驟218將設(shè)計變量低于預(yù)定臨界值的單元 清除。然后過程200回到步驟212，生成反映更新后的設(shè)計域的另一個輸入文件(也就是， 針對剩余單元的不同材料)，以執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化的另一次迭代，直至判斷步驟215變成“是”或 者迭代的次數(shù)超過允許的迭代的最大次數(shù)。當(dāng)設(shè)計滿足優(yōu)化的設(shè)計目標(biāo)時(也就是，最佳 設(shè)計或者顯著或充分改進(jìn)的設(shè)計)，過程200結(jié)束。圖2B是過程200中的步驟214的細(xì)節(jié)的流程圖。步驟214包括使用基于HCA的 方法來評估設(shè)計并更新設(shè)計變量的示范性過程，該過程使用有限元分析來獲得整個工程產(chǎn) 品在一種或多種負(fù)荷條件下的響應(yīng)。過程200的步驟214從步驟214a開始，F(xiàn)EA網(wǎng)格的每個單元都被映射到HCA格點。 映射被配置得將至少一個單元與每個格點相關(guān)聯(lián)，接下來確定每個格點的鄰域。鄰域可以 由相鄰單元的列表來表示。圖3A和3B分別是用二維和三維圖形表示的示范性鄰域的示意 圖。每個格點(也就是，單元310(圖3B中未圖示))有很多相鄰的單元320。鄰域的定義 可以由不同的規(guī)則設(shè)置，例如，共享至少一條邊301、至少一個角或者節(jié)點302-304、或者至 少一個面或者側(cè)面303。鄰域信息被用于基于HCA的拓?fù)鋬?yōu)化，以消除或最小化不連續(xù)性。 要注意的是，最初步驟214a只需要執(zhí)行一次，因為映射關(guān)系和鄰域定義可以是靜態(tài)的或者 在HCA方法中始終不改變。根據(jù)另一方面，每個HCA格點被配置成將圖3C所示的一列單元350組在一起。這 樣的映射將三維域轉(zhuǎn)換為被優(yōu)化的二維橫截面。接下來在步驟214b，至少一個計算機(jī)輔助的工程模擬，其中工程產(chǎn)品的有限元分 析(FEA)處于一種或多種負(fù)荷條件。使用安裝在計算機(jī)系統(tǒng)中的FEA應(yīng)用模塊在計算機(jī)系 統(tǒng)中執(zhí)行FEA。步驟212中更新或者生成的輸入文件用于數(shù)字化地表示中間工程產(chǎn)品，該中 間工程產(chǎn)品是從初始設(shè)計到最佳設(shè)計的演化。根據(jù)相關(guān)的設(shè)計變量，表示設(shè)計域的有限元 網(wǎng)格中的每個單元都被賦予一個離散材料模型。接下來，在步驟214c，從FEA結(jié)果中提取相關(guān)的信息，例如設(shè)計域中的每個單元的 內(nèi)部能量(例如，在圖5的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下所消耗的能量或者區(qū)域510)?；贖CA格點 與有限元之間的映射，提取的信息被賦予各個格點。該映射關(guān)系可以是一對一或者多個單
7元對一個格點。一旦被賦予提取的信息，在步驟214d為每個格點計算設(shè)計目標(biāo)和可選的約 束條件。在一個實施例中，通過所有負(fù)荷條件下的相關(guān)信息的加權(quán)和來計算格點的設(shè)計目 的。在另一個實施例中，將從拓?fù)鋬?yōu)化的前幾次迭代得到的相關(guān)信息的變化平均值作為設(shè) 計目標(biāo)。在步驟214e，執(zhí)行鄰域平滑化操作，以減少或者限制兩個相鄰格點之間的不連續(xù) 性，以進(jìn)化設(shè)計。使用鄰域定義，設(shè)計域內(nèi)的每個格點都具有一鄰近格點列表。許多已知 的方法可以被實施，以完成鄰域平滑化操作，例如，鄰域內(nèi)所有計算出的設(shè)計目標(biāo)的簡單平 均，或者加權(quán)平均。一旦已經(jīng)為每個格點計算了設(shè)計目標(biāo)和可選的約束條件，可以在步驟214f中更 新與每個單元相關(guān)的設(shè)計變量。根據(jù)設(shè)計優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計變量與設(shè)計目標(biāo)和可選約束條件 之間的特定關(guān)系可以被用于更新設(shè)計變量。例如，一個設(shè)計目標(biāo)是在某些負(fù)荷條件下在特 定的重量限制下具有最佳的設(shè)計域結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)該設(shè)計目標(biāo)，最佳設(shè)計應(yīng)該包括可以最 有效地吸收能量的結(jié)構(gòu)，并且不超出約束條件(也就是，重量限制)。這可以通過在設(shè)計條 件下具有充分均勻的內(nèi)部能量的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。在步驟214g中計算用于確定基于HCA的拓?fù)鋬?yōu)化的收斂度的數(shù)字?jǐn)?shù)量。該數(shù)字 數(shù)量優(yōu)選是連續(xù)迭代之間的平均設(shè)計目標(biāo)變化，例如，設(shè)計域中的所有單元的平均設(shè)計目 標(biāo)變化。之后步驟214結(jié)束。選擇性地，步驟214的終止可以由其他現(xiàn)有技術(shù)控制，例如， 優(yōu)化中允許的最大數(shù)量的迭代次數(shù)。當(dāng)已經(jīng)達(dá)到最大數(shù)量時，優(yōu)化將會終止，即使沒有達(dá)到 收斂標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)一方面，本發(fā)明涉及一個或多個能夠執(zhí)行在此描述的功能的計算機(jī)系統(tǒng)。計 算機(jī)系統(tǒng)600的例子在圖6中示出。計算機(jī)系統(tǒng)600包括一個或多個處理器，例如處理器 604。處理器604連接到計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通信總線602。關(guān)于該示范性的計算機(jī)系統(tǒng)，有各 種軟件實現(xiàn)的描述。在讀完這一描述后，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人員將會明白如何使用其它計算 機(jī)系統(tǒng)和/或計算機(jī)架構(gòu)來實施本發(fā)明。計算機(jī)系統(tǒng)600還包括主存儲器608，優(yōu)選隨機(jī)存取存儲器(RAM)，還可包括輔助 存儲器610。輔助存儲器610包括例如一個或多個硬盤驅(qū)動器612和/或一個或多個可移 除存儲驅(qū)動器614，它們代表軟磁盤機(jī)、磁帶驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器等?？梢瞥拇鎯︱?qū)動器 614用已知的方式從可移除存儲單元618中讀取和/或向可移除存儲單元618中寫入?？?移除存儲單元618代表可以由可移除存儲驅(qū)動器614讀取和寫入的軟盤、磁帶、光盤等?？?以理解，可移除存儲單元618包括其上存儲有計算機(jī)軟件和/或數(shù)據(jù)的計算機(jī)可讀媒介。在可選實施例中，輔助存儲器610可包括其它類似的機(jī)制，允許計算機(jī)程序或者 其它指令被裝載到計算機(jī)系統(tǒng)600。這樣的機(jī)制包括例如可移動存儲單元622和接口 620。 這樣的例子可包括程序盒式存儲器和盒式存儲器接口(例如，視頻游戲設(shè)備中的那些)、可 移動存儲芯片(例如可擦除的可編程只讀存儲器(EPR0M))、通用串行總線(USB)閃存、或 者PR0M)以及相關(guān)的插槽、以及其它可移動存儲單元622和允許軟件和數(shù)據(jù)從可移動存儲 單元622傳遞到計算機(jī)系統(tǒng)600的接口 620。通常，計算機(jī)系統(tǒng)600由操作系統(tǒng)(OS)軟件 控制和管理，操作系統(tǒng)執(zhí)行例如進(jìn)程調(diào)度、存儲器管理、網(wǎng)絡(luò)連接和I/O服務(wù)?？赡苓€設(shè)有連接到總線602的通信接口 624。通信接口 624允許軟件和數(shù)據(jù)在計 算機(jī)系統(tǒng)600和外部設(shè)備之間傳遞。通信接口 624的例子包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口(例如以太網(wǎng)卡)、通信端口、個人計算機(jī)存儲卡國際協(xié)會(PCMCIA)插槽和卡等等。通過通信接 口 624傳輸?shù)能浖蛿?shù)據(jù)是信號628的形式，該信號可以是電子、電磁、光學(xué)或者其他可以 被通信接口 624接收的信號。計算機(jī)600基于一組特定的規(guī)則(也就是，協(xié)議)通過數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡(luò)與其它計算設(shè)備通信。通用協(xié)議的其中一種是在互聯(lián)網(wǎng)中通用的TCP/IP (傳輸控制協(xié) 議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)。通常，通信接口 624將數(shù)據(jù)文件組合處理成較小的數(shù)據(jù)包以通過數(shù)據(jù)網(wǎng) 絡(luò)傳輸，或?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)包重新組合成原始的數(shù)據(jù)文件。此外，通信接口 624處理每個數(shù) 據(jù)包的地址部分以使其到達(dá)正確的目的地，或者中途截取發(fā)往計算機(jī)600的數(shù)據(jù)包。在這 份文件中，術(shù)語“計算機(jī)程序媒介”和“計算機(jī)可用媒介”都用來指代媒介，例如可移動存儲 驅(qū)動器614和/或設(shè)置在硬盤驅(qū)動器612中的硬盤。這些計算機(jī)程序產(chǎn)品是用于將軟件提 供給計算機(jī)系統(tǒng)600的手段。本發(fā)明涉及這樣的計算機(jī)程序產(chǎn)品。計算機(jī)系統(tǒng)600還包括輸入/輸出(I/O)接口 630，它使得計算機(jī)系統(tǒng)600能夠接 入顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描器、繪圖機(jī)、以及類似設(shè)備。計算機(jī)程序(也被稱為計算機(jī)控制邏輯)作為應(yīng)用模塊606存儲在主存儲器608 和/或輔助存儲器610中。也可通過通信接口 624接收計算機(jī)程序。這樣的計算機(jī)程序被 執(zhí)行時，使得計算機(jī)系統(tǒng)600執(zhí)行如在此所討論的本發(fā)明的特征。特別地，當(dāng)執(zhí)行該計算機(jī) 程序時，使得處理器604執(zhí)行本發(fā)明的特征。因此，這樣的計算機(jī)程序代表計算機(jī)系統(tǒng)600 的控制器。在本發(fā)明采用軟件實現(xiàn)的實施例中，該軟件可存儲在計算機(jī)程序產(chǎn)品中，并可使 用可移動存儲驅(qū)動器614、硬盤驅(qū)動器612、或者通信接口 624加載到計算機(jī)系統(tǒng)600中。應(yīng) 用模塊606被處理器604執(zhí)行時，使得處理器604執(zhí)行如在此所述的本發(fā)明的功能。主存儲器608可被加載一個或多個應(yīng)用模塊606，所述應(yīng)用模塊606可被一個或多 個處理器604執(zhí)行以實現(xiàn)期望的任務(wù)，所述處理器可具有或不具有通過I/O接口 630輸入 的用戶輸入。在運行中，當(dāng)至少一個處理器604執(zhí)行一個應(yīng)用模塊606時，結(jié)果被計算并存 儲在輔助存儲器610 (也就是，硬盤驅(qū)動器612)中。有限元分析(例如，汽車抗撞擊)的狀 態(tài)以文字或者圖形表示的方式通過I/O接口報告給用戶。雖然參照特定的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是這些實施例僅僅是解釋性的， 并不用于限制本發(fā)明。本技術(shù)領(lǐng)域的人員可得到暗示，對具體公開的示范性實施例做出各 種修改和改變。例如，雖然設(shè)計目標(biāo)和變量的數(shù)量示為2個，實際上，已經(jīng)使用了大量的設(shè) 計目標(biāo)和變量。設(shè)計約束條件的數(shù)量也可以更高。此外，雖然所描述和示出的有限元分析 用于獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但是也可以使用其他類型的CEA分析來實現(xiàn)相同的目的，例如，有限差 分析或者無網(wǎng)格分析，等。此外，雖然內(nèi)部能量吸收能力作為設(shè)計目的示出和描述，但是也 可以使用其它類型的設(shè)計目的，例如，最大應(yīng)力、最大位移等。雖然論證了用于基于混合細(xì) 胞自動機(jī)的拓?fù)鋬?yōu)化算法的方法論，但是也可以使用其他拓?fù)鋬?yōu)化算法，例如等效靜態(tài)負(fù) 荷方法等?？傊?，本發(fā)明的范圍不限于在此公開的特定示范性實施例，對本技術(shù)領(lǐng)域人員來 說暗含的所有修改都將被包括在本申請的精神和范圍以及后附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于在拓?fù)鋬?yōu)化中獲得工程產(chǎn)品的最佳設(shè)計的方法，其特征在于，包括在計算機(jī)系統(tǒng)中接收工程產(chǎn)品的定義，所述工程產(chǎn)品包含有將根據(jù)至少一個設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化的指定設(shè)計域，所述定義包括設(shè)計域的有限元分析網(wǎng)格以及將用于設(shè)計域的基線材料，其中所述有限元分析網(wǎng)格包括多個有限元，每個有限元被賦予一設(shè)計變量，該設(shè)計變量對應(yīng)于基線材料的特性；生成多個離散材料模型，每個被配置用于表示基線材料的特定部分，其中所述特定部分與設(shè)計變量的范圍的對應(yīng)部分相關(guān)；以及在設(shè)計域的迭代拓?fù)鋬?yōu)化過程中，通過根據(jù)相應(yīng)設(shè)計變量的變化迭代修改一些單元，獲得實現(xiàn)所述至少一個設(shè)計目標(biāo)的設(shè)計域的最佳設(shè)計，其中拓?fù)鋬?yōu)化的每次迭代包括使用工程產(chǎn)品的有限元分析在計算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行至少一次工程模擬，并根據(jù)所述至少一次工程模擬的結(jié)果評估所述至少一個設(shè)計目標(biāo)以更新每個單元的相應(yīng)設(shè)計變量，根據(jù)所述每次迭代中的相應(yīng)設(shè)計變量，將所述每個單元賦予對應(yīng)的一個離散材料模型，且在所述每次迭代結(jié)束時將相應(yīng)設(shè)計變量低于臨界值的一個或多個單元清除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述指定設(shè)計域包括工程產(chǎn)品的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個離散材料模型被配置成覆蓋所 述設(shè)計變量的整個范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述多個離散材料模型中的每一個都表 示所述設(shè)計變量的范圍的不同且不相重疊的部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述迭代拓?fù)鋬?yōu)化是基于混合細(xì)胞自動 機(jī)的拓?fù)鋬?yōu)化，其包含多個混合細(xì)胞自動機(jī)格點，每個格點都與至少一個有限元相關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于混合細(xì)胞自動機(jī)的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn) 一步包括根據(jù)一組鄰域確定規(guī)則為所述每個格點確定一相鄰單元列表，所述一組鄰域規(guī)則 被配置用于設(shè)計目標(biāo)平滑化程序以減少最佳設(shè)計內(nèi)的不連續(xù)性。
7 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一個設(shè)計目標(biāo)包括通過保持設(shè) 計域的預(yù)定總重量或者質(zhì)量，將所述每個有限元的內(nèi)部能量吸收最大化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定臨界值是單元移除的極限值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一次工程模擬包括模擬設(shè)計和 優(yōu)化工程產(chǎn)品的一種或多種負(fù)荷條件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)在拓?fù)鋬?yōu)化的兩次連續(xù)迭代之間確定 預(yù)定的收斂條件時，達(dá)到最佳設(shè)計，其中所述預(yù)定的收斂條件定義為相對于所述整個設(shè)計 域的充分小的差異。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)在拓?fù)鋬?yōu)化中已經(jīng)達(dá)到預(yù)定最大次數(shù) 的迭代時實現(xiàn)最佳設(shè)計。
12.一種用于在拓?fù)鋬?yōu)化中獲得工程產(chǎn)品的最佳設(shè)計的系統(tǒng)，其特征在于，包括主存儲器，用于存儲應(yīng)用模塊的計算機(jī)可讀編碼；與所述主存儲器相連的至少一個處理器，所述至少一個處理器執(zhí)行所述主存儲器內(nèi)的 計算機(jī)可讀編碼，使應(yīng)用模塊通過以下方法執(zhí)行操作在計算機(jī)系統(tǒng)中接收工程產(chǎn)品的定義，所述工程產(chǎn)品包含有將根據(jù)至少一個設(shè)計目標(biāo) 進(jìn)行優(yōu)化的指定設(shè)計域，所述定義包括設(shè)計域的有限元分析網(wǎng)格以及將用于設(shè)計域的基線材料，其中所述有限元分析網(wǎng)格包括多個有限元，每個有限元被賦予一設(shè)計變量，該設(shè)計變 量對應(yīng)于基線材料的特性；生成多個離散材料模型，每個被配置用于表示基線材料的特定部分，其中所述特定部 分與設(shè)計變量的范圍的對應(yīng)部分相關(guān)；以及在設(shè)計域的迭代拓?fù)鋬?yōu)化過程中，通過根據(jù)相應(yīng)設(shè)計變量的變化迭代修改一些單元， 獲得實現(xiàn)所述至少一個設(shè)計目標(biāo)的設(shè)計域的最佳設(shè)計，其中拓?fù)鋬?yōu)化的每次迭代包括使用 工程產(chǎn)品的有限元分析在計算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行至少一次工程模擬，并根據(jù)所述至少一次工程 模擬的結(jié)果評估所述至少一個設(shè)計目標(biāo)以更新每個單元的相應(yīng)設(shè)計變量，根據(jù)所述每次迭 代中的相應(yīng)設(shè)計變量，將所述每個單元賦予對應(yīng)的一個離散材料模型，且在所述每次迭代 結(jié)束時將相應(yīng)設(shè)計變量低于臨界值的一個或多個單元清除。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述基于混合細(xì)胞自動機(jī)的拓?fù)鋬?yōu)化 進(jìn)一步包括根據(jù)一組鄰域確定規(guī)則為所述每個格點確定一相鄰單元列表，所述一組鄰域規(guī) 則被配置用于設(shè)計目標(biāo)平滑化程序以減少最佳設(shè)計內(nèi)的不連續(xù)性。
14.一種計算機(jī)可記錄的存儲媒介，包括指令，其特征在于，所述指令用于控制計算機(jī) 系統(tǒng)通過以下方法在拓?fù)鋬?yōu)化中獲得工程產(chǎn)品的最佳設(shè)計，所述方法包括在計算機(jī)系統(tǒng)中接收工程產(chǎn)品的定義，所述工程產(chǎn)品包含有將根據(jù)至少一個設(shè)計目標(biāo) 進(jìn)行優(yōu)化的指定設(shè)計域，所述定義包括設(shè)計域的有限元分析網(wǎng)格以及將用于設(shè)計域的基線 材料，其中所述有限元分析網(wǎng)格包括多個有限元，每個有限元被賦予一設(shè)計變量，該設(shè)計變 量對應(yīng)于基線材料的特性；生成多個離散材料模型，每個被配置用于表示基線材料的特定部分，其中所述特定部 分與設(shè)計變量的范圍的對應(yīng)部分相關(guān)；以及在設(shè)計域的迭代拓?fù)鋬?yōu)化過程中，通過根據(jù)相應(yīng)設(shè)計變量的變化迭代修改一些單元， 獲得實現(xiàn)所述至少一個設(shè)計目標(biāo)的設(shè)計域的最佳設(shè)計，其中拓?fù)鋬?yōu)化的每次迭代包括使用 工程產(chǎn)品的有限元分析在計算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行至少一次工程模擬，并根據(jù)所述至少一次工程 模擬的結(jié)果評估所述至少一個設(shè)計目標(biāo)以更新每個單元的相應(yīng)設(shè)計變量，根據(jù)所述每次迭 代中的相應(yīng)設(shè)計變量，將所述每個單元賦予對應(yīng)的一個離散材料模型，且在所述每次迭代 結(jié)束時將相應(yīng)設(shè)計變量低于臨界值的一個或多個單元清除。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述多個離散材料模型包括表示設(shè)計 變量的各部分的第一和第二離散材料模型，其中所述各部分是不同且非重疊的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在拓?fù)鋬?yōu)化中獲得工程產(chǎn)品的最佳設(shè)計的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明定義了包含待優(yōu)化設(shè)計域的工程產(chǎn)品。設(shè)計域可以是工程產(chǎn)品的一部分或者整個工程產(chǎn)品。本發(fā)明還定義了設(shè)計目標(biāo)和可選約束條件，使得優(yōu)化目的能夠?qū)崿F(xiàn)。此外，設(shè)計域的最初配置由有限元分析網(wǎng)格表示。每個單元或者單元組都與設(shè)計變量相關(guān)。根據(jù)用于設(shè)計域的基線材料，生成一組離散材料模型。該組離散材料模型被配置成覆蓋設(shè)計變量的整個范圍，且每個離散材料模型代表一非重疊部分。根據(jù)設(shè)計變量，表示設(shè)計域的每個單元都與合適的離散材料模型相關(guān)。通過FEA可獲得整個工程產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以評估設(shè)計目標(biāo)并更新設(shè)計變量。
文檔編號G06F17/50GK101859332SQ201010155038
公開日2010年10月13日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者塔舍·戈爾, 威廉姆·J·魯 申請人:利弗莫爾軟件技術(shù)公司