(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111366491.8 (22)申请日 2021.11.18 (71)申请人 天津大学 地址 300192 天津市南 开区卫津路9 2号 (72)发明人 徐颖　黄齐文　韩庆华　王中兴　 (74)专利代理 机构 北京众合诚成知识产权代理 有限公司 1 1246 代理人 张文宝 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 113/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑 优化方法 (57)摘要 本发明公开了属于工程结构设计技术领域 的一种考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优 化方法。 包括以下步骤： 步骤1： 基于网壳中构件 的受力状况， 设计优化前的装配式空心毂节点尺 寸； 步骤2： 建立装配式空心毂节点几何模型， 并 将毂体划分为设计区域和非设计区域； 步骤3： 将 装配式空心毂节点几何模型导入到Abaqus， 建立 有限元模型； 步骤4： 构建拓扑优化模型， 采用参 数化水平 集法进行拓扑优化； 步骤5： 将拓 扑优化 的结果进行网格光顺处理， 然后重建装配式空心 毂节点。 本发 明能够在保证力学性能的同时降低 中心毂体的材料用量； 得到的装配式空心毂节点 具有造型新颖、 重量较轻、 制作精度高的优点， 同 时也大大降低了现场施工人员的组装 难度。 权利要求书2页 说明书5页 附图6页 CN 114036800 A 2022.02.11 CN 114036800 A 1.一种考虑多约束条件的空间 网壳节点拓扑优化方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 基于网壳 中构件的受力状况， 设计优化前的装配式空心毂节点尺寸； 步骤2： 依据步骤1的装配式空心毂节点尺寸建立装配式空心毂节点几何模型， 并将毂 体划分为设计区域和非设计区域； 步骤3： 将步骤2中的装配式空心毂节点几何模型导入到Abaqus， 再根据装配式空心毂 节点的实际受力情况和接触属性建立Abaqus有限元模型； 步骤4： 构建以设计区域的柔度最小为目标函数、 以设计区域的Von  Mises应力和体积 为约束条件的拓扑优化模型， 采用参数化水平集法进行拓扑优化； 步骤5： 将步骤4中拓扑优化的结果进行网格光顺处理， 然后根据光顺后的网格用 PolyNURBS重建装配式空心毂节点。 2.根据权利要求1所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法， 其特征在于， 所 述步骤1中的装配式空心毂节 点尺寸包括毂体高度、 毂体厚度和毂体外径； 装配式空心毂节 点尺寸根据以下公式确定： 式中， 为矩形管轴向刚度， 为矩形管轴向承载力， 为装配式空心毂节 点轴向刚度， 为装配式空心毂节点轴向承载力； E为钢材的弹性模量， t0为矩形管厚度， b 为矩形管截面宽度， h为矩形管截面高度， L为矩形管长度， H为毂体高度， t为毂体厚度， D0为 毂体外径， fy为钢材屈服强度。 3.根据权利要求2所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法， 其特征在于， 装 配式空心毂节点轴向刚度和轴向承载力分别为矩形管轴向刚度和轴向承载力的1.1～1.2 倍。 4.根据权利要求1所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法， 其特征在于， 所 述步骤2中的装配式空心毂节点几何模型在SolidWorks中建立， 通过stp格式导入Ab aqus 中。 5.根据权利要求1所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法， 其特征在于， 所 述步骤2中设计区域的材 料参与优化， 非设计区域的材 料不参与优化。 6.根据权利要求1所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法， 其特征在于， 所 述步骤3中建立Abaqus有限元模型的过程中， 荷载采用网壳受力分析中的杆端荷载值， 在毂 体上表面采用铰接约束， 螺 栓连接、 封 板与杆件连接采用绑定约束。 7.根据权利要求1或6所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法， 其特征在 于， 所述步骤3中的Abaqus有限元模型采用钢材， 弹性模量 为206000MPa， 泊松比为0.3 。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114036800 A 28.根据权利要求1所述考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法， 其特征在于， 所 述步骤4中的拓扑优化模型为： Minimise: Subject to:V(x)＝Vreq xe＝0 or 1 e＝1,2,3,. ..,N 其中， x＝(x1,x2,..,xN)是设计区域在有限元离散后的单元相对密度矩阵， 其中c(x)是 设计区域的柔度， K和U分别代表设计区域的整体刚度和位移矩阵， ke和ue分别代表单元的刚 度和位移矩阵； e表示单元索引， xe＝0表示无效材料， xe＝1表示实体材料； V(x)是设计区域 的有效材料的体积， Vreq是体积约束条件， 为设计区域体积的50％～70％； σmises(xe)是设计 区域的Von  Mises应力值， 是应力约束值， 为装配式空心毂节点有 限元分析所计算出的 Von Mises应力最大值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114036800 A 3