基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法及系统与流程

本发明涉及横梁优化设计，尤其涉及基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法及系统。

背景技术：

1、随着数控机床向高速、高精度和轻量化方向发展，横梁作为承载主轴箱、导轨及切削载荷的重要部件，其质量、刚度、抗扭性能及动态性能直接影响加工精度和运行稳定性。现有横梁优化多采用尺寸优化、参数优化或单一尺度拓扑优化，通过调整壁板厚度、筋板数量及材料分布实现减重，但难以同时兼顾整体箱体、内部筋板及连接细节等不同尺度之间的连续传力关系，容易出现筋板断裂、局部连接不足或材料孤立等问题。

2、横梁实际工作时承受主轴箱沿导轨移动形成的多位置载荷，现有方法对稳定传力区域和迁移传力区域考虑不足，所得结构难以兼顾全行程下的位移、应力及抗扭性能。

3、传统拓扑优化对既有设计及有限元校核数据利用有限，且离散优化结果还需进一步工程化重构，重构后易出现传力路径中断、筋板不连续及制造约束不满足的问题；因此，有必要研究一种兼顾多尺度连续传力、移动载荷工况、数据驱动修正及结构可制造性的横梁优化设计方法。

技术实现思路

1、本发明提供了基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法及系统。

2、第一方面，基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法，包括以下步骤：

3、将横梁设计域按照整体箱体尺度、内部筋板尺度和连接细节尺度进行关联划分，在导轨连接区域、立柱连接区域和载荷作用区域设置非去除区域；

4、基于移动载荷作用下的载荷传递连续性对各尺度设计域进行耦合，获取多尺度横梁优化域；

5、基于所述多尺度横梁优化域输入多尺度拓扑迭代单元，在整体箱体尺度确定弯曲承载主路径；

6、基于内部筋板尺度确定与所述弯曲承载主路径相连接的抗扭传力支路，在连接细节尺度修正所述弯曲承载主路径与所述抗扭传力支路之间的局部连接；

7、根据横梁既有设计方案及对应有限元校核结果训练的数据驱动性能预测，对每轮拓扑迭代中的材料保留优先级进行修正，获取跨尺度横梁材料布局；

8、基于所述跨尺度横梁材料布局转换为由壁板和连续筋板构成的横梁候选结构，对所述横梁候选结构进行移动载荷静力校核和低阶模态校核；

9、根据校核结果对未满足要求的局部区域执行跨尺度回填或筋板连通修正，输出横梁优化设计结果。

10、第二方面，基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计系统，包括以下模块：

11、多尺度优化域构建模块，所述多尺度优化域构建模块用于将横梁设计域划分为整体箱体尺度设计域、内部筋板尺度设计域和连接细节尺度设计域，设置非去除区域和尺度衔接区域，并根据移动载荷作用下的载荷传递连续性构建多尺度横梁优化域；

12、多尺度拓扑迭代模块，所述多尺度拓扑迭代模块用于基于所述多尺度横梁优化域识别弯曲承载主路径和抗扭传力支路，对跨尺度连接区域进行局部连续性修正，并利用数据驱动性能预测模型输出的性能贡献预测结果和结构约束风险预测结果修正材料保留优先级，经迭代更新得到跨尺度横梁材料布局；

13、结构重构校核模块，所述结构重构校核模块用于将所述跨尺度横梁材料布局转换为由壁板和连续筋板构成的横梁候选结构，对所述横梁候选结构执行移动载荷静力校核和低阶模态校核，并根据结构校核结果执行跨尺度回填、筋板连通修正或连接区域修正，直至满足预设质量、位移、应力、固有频率及制造约束，输出横梁优化设计结果。

14、本发明的有益效果：

15、本发明，将横梁划分为整体箱体尺度、内部筋板尺度和连接细节尺度，在移动载荷条件下识别弯曲承载主路径及抗扭传力支路，并利用尺度衔接和局部连续性修正实现跨尺度连续传力，解决传统单尺度拓扑优化易出现筋板断裂、连接不足及传力路径中断的问题。

16、本发明，利用横梁既有设计方案及有限元校核数据训练性能预测，根据性能贡献和结构约束风险动态修正材料保留优先级，并将拓扑结果重构为壁板—连续筋板结构，通过静力、模态及制造约束校核实施跨尺度回填和筋板连通修正，实现轻量化、结构性能与可制造性的协同优化。

1.基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法，其特征在于，根据横梁外层壁板、内层壁板和截面外轮廓确定整体箱体尺度设计域表示为：；其中，为整体箱体尺度设计域；为外层壁板对应的空间区域；为内层壁板对应的空间区域，根据外层壁板与内层壁板之间用于设置筋板的内部空间确定内部筋板尺度设计域表示为：

3.根据权利要求2所述的基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法，其特征在于，在所述横梁分尺度设计域中，将导轨安装及传力所对应的导轨连接区域、横梁端部与立柱连接所对应的立柱连接区域以及主轴箱移动过程中载荷施加所覆盖的载荷作用区域标记为非去除区域表示为：

4.根据权利要求3所述的基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法，其特征在于，沿横梁导轨方向设置多个移动载荷位置，移动载荷位置按照等间距方式布置表示为：；其中，为第个移动载荷位置在横梁导轨方向上的坐标；为主轴箱允许移动范围的起始位置；为主轴箱允许移动范围的终止位置；为移动载荷位置总数量；，分别基于所述横梁分尺度约束域确定各移动载荷位置下由载荷作用区域向立柱连接区域延伸的载荷传递区域表示为：；其中，为第个移动载荷位置下的载荷传递区域；表示从候选传力单元中提取同时与载荷作用区域和立柱连接区域连通的设计单元；为第个移动载荷位置下的候选传力单元集合；为第个移动载荷位置对应的载荷作用子区域；为立柱连接区域；对于横梁分尺度约束域中的任一设计单元，统计其在全部移动载荷位置下被识别为载荷传递区域的出现频率表示为：

5.根据权利要求1所述的基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法，其特征在于，将所述多尺度横梁优化域中的非去除区域和尺度衔接区域设置为强制保留材料区域，将其余区域设置为材料可调整区域，并分别为整体箱体尺度设计域、内部筋板尺度设计域和连接细节尺度设计域配置初始材料保留状态，初始材料状态变量表示为：；其中，表示尺度类型，表示整体箱体尺度，表示内部筋板尺度，表示连接细节尺度；表示对应尺度设计域中的设计单元编号；表示第个尺度设计域中第个设计单元的初始材料状态变量；表示第个尺度设计域中的强制保留材料区域；表示第个尺度设计域中的材料可调整区域；表示材料可调整区域的初始材料保留状态，得到跨尺度拓扑初始域；

6.根据权利要求5所述的基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法，其特征在于，根据所述第一尺度材料布局和整体箱体尺度设计域与内部筋板尺度设计域之间的空间映射关系，在内部筋板尺度设计域中提取与所述弯曲承载主路径对应的筋板候选区域，并根据各筋板候选区域对横梁扭转变形、截面畸变及导轨相对位移的抑制程度，得到抗扭贡献指标表示为：

7.根据权利要求6所述的基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法，其特征在于，根据所述性能贡献预测结果提高对横梁质量降低、位移抑制、应力降低、固有频率提升或跨尺度连续传力具有正向贡献的设计单元的材料保留优先级表示为：；其中，表示第个设计单元在第轮拓扑迭代中的基础材料保留优先级；表示归一化应变能密度；表示传力出现频率；表示该设计单元对弯曲承载主路径或抗扭传力支路连通性的贡献；表示该设计单元对跨尺度连续传力的贡献；、、和表示对应基础评价权重，并满足：，并根据所述结构约束风险预测结果降低可能引起局部应力集中、传力中断、模态恶化或制造不可实现的设计单元的材料去除优先级，得到修正后的材料保留优先级表示为：；其中，表示修正后的材料保留优先级；表示性能贡献修正权重；表示结构约束风险修正权重；表示将计算结果限制在0至1范围内；表示第个设计单元在第轮拓扑迭代中的性能贡献预测结果；表示对应的结构约束风险预测结果；

8.根据权利要求1所述的基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法，其特征在于，将所述跨尺度横梁材料布局进行几何重构，根据各尺度设计域中的材料保留状态提取连续壁板区域、筋板区域以及连接过渡区域，并按照材料连续性约束将离散材料单元合并为连续结构单元，材料单元邻接关系表示为：

9.根据权利要求9所述的基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计方法，其特征在于，根据所述结构校核结果定位未满足预设质量、位移、应力、固有频率或制造约束的局部区域，并根据局部区域所属尺度类型执行对应修正；对于整体箱体尺度设计域中因传力路径中断导致性能下降的区域，通过跨尺度回填方式恢复连续材料区域，跨尺度回填区域表示为：；其中：为待回填设计单元集合；为第个设计单元的传力连续评价值；为传力连续判定阈值；对于内部筋板尺度设计域中因筋板间断导致抗扭能力下降的区域，通过筋板连通修正方式补充连续筋板路径；对于连接细节尺度设计域中因局部连接不足导致应力集中或制造不可实现的区域，通过连接区域扩展或局部材料增强方式进行修正，得到修正后的横梁候选结构；

10.基于多尺度拓扑与数据驱动的横梁优化设计系统，用于实现如权利要求1-9任一项所述的基于多尺度拓扑优化与数据驱动的横梁优化设计方法，其特征在于，包括以下模块：