正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法

本发明涉及拓扑优化，特别涉及一种正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法。

背景技术：

1、近年来，随着我国循环经济的大力发展，自修复材料由于损伤自修复的特性，能够有效延长材料使用寿命而受到广泛关注。

2、自修复根据修复机理分为本征型和外援型，本征型自修复是利用外界刺激动态可逆化学键在损伤处重新结合进而完成修复，而外援型自修复则是材料损伤时导致内置载体（微胶囊、液芯纤维、微管网）破裂流出修复剂进行修复。其中外援型微管网载体自修复材料，由于其相互连通的管道可持续注入修复剂，可实现材料的多次修复，是当今最具潜力的自修复材料。而针对微管网自修复材料结构设计难点在于如何优化微管网分布使其具有良好的自修复性能的同时不失其结构力学性能。

3、目前在自修复领域，针对微管网自修复材料结构优化主要集中在微管网载体分布的单目标优化，并且所进行的研究大都处在一个未受载荷情况下进行，在实际应用中，自修复材料结构必定需要承受一定的载荷，但自修复载体的加入使结构具有自修复能力的同时又削弱了结构的力学性能，所以自修复材料结构必须考虑到自修复性能与结构力学性能两者的均衡。因此，如何从自修复材料结构的宏观与细观两个层面，分别考虑结构的力学性能与自修复性能，并建立两个层面的目标函数与约束条件，在此基础上建立多目标协同优化是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提供一种正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，以至少解决上述现有技术当中的不足。

2、本发明提供一种正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，所述方法包括：

3、初始化正交管网型自修复材料参数及设计变量；

4、基于变密度法根据所述参数以及所述设计变量建立有限元模型；

5、定义所述正交管网型自修复材料的双尺度优化目标以及对所述正交管网型自修复材料进行约束，并基于所述有限元模型构建协同优化数学模型；

6、根据所述协同优化数学模型、所述双尺度优化目标以及所述约束引导所述正交管网型自修复材料结构宏细观优化，以获得帕累托前沿；

7、判断所述帕累托前沿是否同时存在双尺度优化解，若否，则对不存在的尺度继续进行宏观优化更新所述帕累托前沿并重新判断，若多次宏观优化后仍不存在所述双尺度优化解，则直接终止迭代并输出优化结果；

8、判定全局帕累托前沿是否随迭代而变化，若是，则基于所述全局帕累托前沿选取下一代初始解集进行迭代，若否，则终止迭代并输出优化结果。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对正交管网型自修复材料复杂的双尺度结构建模问题，采用的变密度法不需引入微结构模型，且对任意设计域中复杂几何形状有限元模型具有天然的普适性，在变密度法框架下，建立的自修复材料结构力学性能和自修复性能双尺度多目标协同优化模型，可极大程度反应优化目标间的关联特性，协同双尺度结构的宏细观设计，提供更精细的优化结构。此外，该框架下的优化方法能为自修复材料的结构优化提供更多有效精细的设计方案，并可完美的与现有商业优化软件进行集成，降低设计门槛。

10、进一步的，所述初始化正交管网型自修复材料参数及设计变量的步骤包括：

11、初始化正交管网型自修复材料的应用场景空间的长、宽、高、约束点以及受力点位置；

12、初始化所述正交管网型自修复材料的宏观结构在变密度法框架下划分的全部有限单元的相对密度、细观载体正交管网各维度分布间距以及管道半径。

13、进一步的，所述基于所述参数、所述设计变量以及变密度法建立有限元模型的步骤包括：

14、获取所述正交管网型自修复材料的宏观结构以及细观载体；

15、将所述宏观结构与所述细观载体进行结合，以此构建所述正交管网型自修复材料的有限元模型。

16、进一步的，所述定义所述正交管网型自修复材料的双尺度优化目标以及对所述正交管网型自修复材料进行约束的步骤包括：

17、定义所述正交管网型自修复材料在宏观结构上的力学性能指标；

18、定义所述正交管网型自修复材料在细观载体自修复性能指标；

19、对所述正交管网型自修复材料的宏观结构以及细观载体相结合的自修复结构进行整体约束。

20、进一步的，所述协同优化数学模型的表达式为：

21、；

22、；

23、；

24、；

25、式中，表示目标函数，当为1时则表示宏观结构层面，当为2时则表示细观载体层面，表示约束条件，、分别表示宏观结构力学性能指标、细观载体自修复性能指标，表示整体约束指标，表示第个有限元单元相对密度，取值区间为01，表示有限元单元总数，表示宏观结构下各单元密度集合，表示细观载体正交管网分布间距，表示细观载体正交管网的载体半径，、分别表示设定的最小正交管网分布间距、设定的最大正交管网分布间距，、分别表示设定的最小管道半径、设定的最大管道半径。

26、进一步的，所述根据所述协同优化数学模型、所述双尺度优化目标以及所述约束引导所述正交管网型自修复材料结构宏细观优化，以获得帕累托前沿的步骤包括：

27、将所述正交管网型自修复材料结构分成宏观结构以及细观载体；

28、将双尺度目标分别代入所述宏观结构以及所述细观载体，并同步进行优化，以得到帕累托前沿。

29、进一步的，所述判断所述帕累托前沿是否同时存在双尺度优化解，若否，则对不存在的尺度继续进行所述宏观优化更新所述帕累托前沿并重新判断，若多次宏观优化后仍不存在所述双尺度优化解，则直接终止迭代并输出优化结果的步骤包括：

30、当所述帕累托前沿中不存在宏观结构的优化解时，则对所述宏观结构的优化解继续进行宏观结构优化，更新帕累托前沿并重新判断是否存在双尺度优化解；

31、当所述帕累托前沿中不存在细观载体的优化解时，则对所述细观载体的优化解继续进行宏观结构优化，更新帕累托前沿并重新判断是否存在双尺度优化解；

32、当对不存在的尺度进行多次宏观优化后仍不能使其出现在帕累托前沿中，则直接终止迭代并输出优化结果。

33、进一步的，所述全局帕累托前沿的生成步骤为：

34、将更新过程中的所述帕累托前沿以及所述双尺度优化解进行合并以及评价以得到所述全局帕累托前沿。

35、进一步的，所述下一代初始解集的生成步骤为：

36、选取预设数量的宏观结构的优化解以及细观载体的优化解；

37、组合所述宏观结构的优化解以及所述细观载体的优化解，得到所述下一代初始解集。

技术特征：

1.一种正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，其特征在于，所述初始化正交管网型自修复材料参数及设计变量的步骤包括：

3.根据权利要求1所述的正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，其特征在于，所述基于所述参数、所述设计变量以及变密度法建立有限元模型的步骤包括：

4.根据权利要求1所述的正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，其特征在于，所述定义所述正交管网型自修复材料的双尺度优化目标以及对所述正交管网型自修复材料进行约束的步骤包括：

5.根据权利要求1所述的正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，其特征在于，所述协同优化数学模型的表达式为：

6.根据权利要求1所述的正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，其特征在于，所述根据所述协同优化数学模型、所述双尺度优化目标以及所述约束引导所述正交管网型自修复材料结构宏细观优化，以获得帕累托前沿的步骤包括：

7.根据权利要求1所述的正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，其特征在于，所述判断所述帕累托前沿是否同时存在双尺度优化解，若否，则对不存在的尺度继续进行所述宏观优化更新所述帕累托前沿并重新判断，若多次宏观优化后仍不存在所述双尺度优化解，则直接终止迭代并输出优化结果的步骤包括：

8.根据权利要求1所述的正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，其特征在于，所述全局帕累托前沿的生成步骤为：

9.根据权利要求1所述的正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，其特征在于，所述下一代初始解集的生成步骤为：

技术总结本发明提供一种正交管网型自修复材料双尺度多目标变密度优化方法，包括基于变密度法建立有限元模型；定义双尺度优化目标以及约束，并构建协同优化数学模型；引导结构宏细观优化获得帕累托前沿；判断帕累托前沿是否同时存在双尺度优化解，若否，则对不存在的尺度进行宏观优化更新帕累托前沿并重新判断，若多次宏观优化后仍不存在双尺度优化解，则直接终止迭代并输出优化结果；判定全局帕累托前沿是否随迭代而变化，若是，则基于全局帕累托前沿选取下一代初始解集进行迭代，否则终止迭代并输出优化结果。本发明能够针对其结构力学性能和自修复性能建立自修复材料结构多目标协同优化，最终能够得出综合性能较好的自修复材料结构优化方案。技术研发人员：李鹏,范百佳,王慎彪,谭健彬,程文涛,张昌有,喻圣林,赵渊受保护的技术使用者：华东交通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11