2023仿生结构优化

仿生学仿生结构优化II目 次前言 III引言 IV112范引文件 13语定义 14号术缩写 35然中我化及因而移的化法 36法运用 5应范和限 5计机助化(CAO) 6力制长 66.2.276.2.3限分析(FEA)在实中应用 8软域除（SKO） 8区清法理 8有元析施软域除理 9区清法实例 10计机助部设计（CAIO) 12算辅内化设方实：曲圆柱体 13拉三形法 146.5.114伸角节料 15伸角优维取向 16伸角法：凸板 17参考献 19PAGEPAGE19仿生学仿生结构优化范围SKOISO18458仿生学术语、概念和方法论（BiomimeticsTerminology,conceptsmethodology）ISO2394结构可靠性通则（Generalprinciplesonreliabilityforstructures）ISO4866机械振动与冲击建筑物的振动振动测量及其对建筑物影响的评价指南（Mechanicalvibrationandshock-Vibrationoffixedstructures-Guidelinesforthemeasurementofvibrationsandevaluationoftheireffectsonstructures）ISO13823建筑物耐用性设计通则（Generalprinciplesonthedesignofstructuresdurability）下列术语和定义适用于本文件。3.1mechanicaladaptivegrowth树木和骨骼等生物结构通过局部性地向受力大的范围添加材料或从受力小的范围移除材料对条件变化所做出的适当反应（如机械荷载）。示例：更加厚实的年轮。3.2algorithm以有限的步骤精确地描述完成一项任务的步骤。3.3designspace可提供给一个元素的容量。注1：部件所要设计的边缘不应超出设计空间的局限。3.4计算机辅助内部优化设计ComputerAidedInternalOptimization（CAIO）基于有限元分析法（3.6），用于优化纤维复合材料中的局部纤维取向，目的在于提高其荷载能力。3.5计算机辅助优化设计ComputerAidedOptimization（CAO）基于有限元分析（3.6），用于优化部件形状的方法。注1：减少受作用力大的范围例如切口（3.8）的作用力，提高部件使用寿命。3.6finiteelementanalysis(FEA)注1：在工程科学中，它被用来作为一种分析方法，比如回答有关结构力学的问题。通过有限元分析法，一个复杂的结构被为小型、简易以及互联组元（FEA网络划分）离散开来。当边界条件（荷载、承重）以及材料属性得以确定后，有可能在该复杂结构中的任何一段对应力及形变等进行计算。3.7shapeoptimization）3.8切口notch部件中的凹面，由于切口效应（3.9）使得一个部件的局部变薄弱。注1：大部分时候，人们并不期望有该薄弱点的存在，但是切口在某些情况下是被用来作为预定的断裂点，以便明确部件应在何处出现故障，并可因此限制部件上可承载的荷载。3.9切口效应notcheffect承受荷载的切口（3.8）上面局部所显现的应力峰值注1：峰值的高度通常取决于切口（3.8）的尺寸及形状。当曲率减小以及切口（3.8）等高线提高时，应力就会减少。3.10拉伸三角形法methodoftensiletriangles一种可使部件均衡受力的简洁图形法。注1：可用来减少如切口（3.8）上这些受力大的范围的应力，提高部件的使用寿命以及移除超低荷载的范围并节省材料。3.11软区域清除SoftKillOption（SKO）基于有限元分析法（3.6）优化部件拓扑（3.12）的方法。注1：通过连续从设计空间（3.3）移除受力小的材料而提出的轻量设计建议。3.12拓扑topology一个部件的结构性组元（洞孔，支撑等）间的关系（如位置和方向）。EEEf(σF力M矩阵T(x,y,z)热负荷α σmisesvonMises（FEA（充spongiosa或cancellousbone（CAO）SKO)（SKO）提供的设计建议中不再包含有超低荷载材料。这就使得设计人员能够辨别部件中作用力的相关路径，从而设计轻质部件，并把将其进行生产的局限性也同时考虑了进来。[1正如ISO18458中所规定的，一个产品或技术满足三种条件即被认可为仿生学。也就是说，当有一个生物体系时，将模型进行抽象，然后将模型以最小的雏形移植到一个技术应用中去。如表1所示，根据这三项准则，以上所描述的方法满足了ISO18458中所提到的三个步骤。（CAOSKOCAIO（MethodTensileTriangles）表1列举了用于仿生结构优化的方法、其生物系统、主要目标以及这些方法在工业应用中的使用例证。表1仿生学结构优化方法，其生物模型，主要目的及技术应用方法生物模型主要目的技术应用计算机辅助优化设计(CAO)树木的自适应性生长形态优化通过均衡受力来提高部件寿命或荷载能力微驱动装置软区域清除(SKO)骨矿化过程拓扑优化通过移除超低荷载材料来设计轻量部件车架计算机辅助内部优化设计(CAIO)树木中的纤维取向局部纤维取向优化以通过将局部纤维取向自适应性荷载从而提高纤维复合材料的能力自行车座位拉伸三角形法（MethodofTensileTriangles)根茎汇合点形状形态优化以通过均衡受力从而提高部件的荷载能力或使用寿命螺钉在动载准备就绪时，它们就可能被转换到同等的静载中去（ESLs）。注：通过这些用于静载的方法而因此被优化了的结构也将对动载做出反应，且远好于未被优化的结构。选择进行优化的应力要视机械问题而定。更多的时候所使用的是冯·米塞斯应力（vonMises）或法向应力，但如有需要，也可使用其它等同的应力。这些方法并没有涉及到例如屈曲等这种失稳故障。因此，优化结果的效应还有待检验。（FEA）ISO2394ISO13823和ISO4866CAO)计算机辅助优化法为优化组元形态提供了一种辅助，研发该方法是为了借助“生长”而抵消部件关键截面的应力集中。部件的载荷自适应性增加过程可以根据局部受力强度通过展示部件法线朝向的表层在计算机上进·（vonMises）1/400，（FEA）（温（CAO说明：1将要优化的切口。2均匀厚度的生长层。图1基于参考（3）的计算机辅助优化方法流程图皱缩（CAO）（FEA)（CAO）计算机辅助优化设计（CAO）生长和皱缩可以合并在同一个过程中进行（见图2）。说明：1——一个计算机辅助优化的迭代过程（iterativeprogressionofaCAO-optimization）；2——缩皱区域（shrinkagearea）；3——成长区域（growtharea）。注：高应力区域较暗。图2一个受拉伸荷载的、钻了孔的平板的半个模型的增长和皱缩相结合的实例2h（CAO4组元和用于空间问题的8节点的6面体组元,但也可以使用三角形和四面体组元。当选择网格划分类型（（SKO）骨骼由骨细胞再建（破骨细胞和成骨细胞）。骨骼是由一层在受力大的范围所填充的松质骨（spongiosa或cancellous骨（corticalis（3;4;5）3）图3a)股交处 b)拉伸压线注：包含松质骨和血小板的微框架可以容易地被辨别出来，并与参考[4]描述的拉伸和压缩线模式相匹配。0100（SKO4）设计空间中每个部件的弹性模量都不尽相同，要视其先前有限元分析中所计算出来的应力而图4根据参考(3)的软区域清除优化流程图（SKO概念车人们所向往的仿生概念车的背后是要将盒子鱼作为一个空气动力模型（见图5），从而设计出一个由理想的空气动力外壳所围绕的、可以承重的车架结构。载0,（6进行车架开发的设计建议使用了软区域清除优化结果。图7为可从外部观察到的已融入到设计中的某些特性，比如汽车后镜的形状及屋顶结构。图5从自然发展到一项产品或从一条鱼开发成一辆汽车的实例图6软区域清除优化的结果，一个具有承重荷载、在刚硬度和重量方面属于最理想的车架图7©DaimlerAG）摇臂图8显示了使用软区域清除法的优化摇臂。与其最初的版本相比较（见图8a)，它不仅能节省材料，还能减少百分之二十九的冯·米塞斯vonMises应力。这样将这种优化版本制造成一个铸件从而减少制图8一个摇臂的软区域清除优化（CAIO)[3][7。图9基于参考（3）的计算机辅助内部优化设计流程图图10说明：pressurerodstensilecords1——固定的fixed2——拉伸绳tensilecords3——压力杆pressurerods4——轴压axialpressure图10基于计算机辅助内部优化[7]的弯曲圆柱体的纤维朝向概述与上述方法形成鲜明对照的是，拉伸三角形允许对部件的寿命及/或材料的使用完全以一种图形的方式进行优化而不需使用计算机（8）。4522.5°11.25451（点3）点4点3）45611a到线11b0到1,32说明a——线1b——线2c——线3d——法线1e2图11根据拉伸三角形方法而构建及磨圆外形的步骤13149045°图12磨圆的具有双边、非对称荷载的切口的拉伸三角形轮廓a)模型 b)主线拉状） c)三应压缩状况下）受压细节说明1——拉伸最大应力图13易受拉伸荷载的狭槽板的有限元分析b)c)。说明：1——添加以减小应力growthtoreducestress2——缩皱以减小重量shrinkagetoreduceweight3——冯·米塞斯应力vonMisesstress4——低low5——高high图14使用拉伸三角形消除荷载超低材料(10)11见图15） （a)b)图15优化纤维取向GB/TXXXXX—XXXX/ISO18459:2015说明X——细节d