一种电力横担关键节点连接构型拓扑及其优化设计方法与流程

本申请属于电力横担领域，尤其涉及一种电力横担关键节点连接构型拓扑及其优化设计方法。

背景技术：

1、输电铁塔是电力系统中的重要支撑结构，电力横担作为输电铁塔的重要组成部分，主要用于悬挂绝缘子串、支撑导线，并将导线荷载传递至杆塔主体，其结构设计的合理性直接关系到输电线路的运行安全和工程建设成本。近年来，随着计算力学和结构优化技术的发展，连续体拓扑优化方法逐步应用于电力横担的轻量化设计。该方法通常在给定设计空间、边界条件和载荷条件的基础上，通过数学优化算法寻找满足预设力学性能要求的材料分布形式。在常规连续体拓扑优化过程中，通常将设计域离散为有限元网格，并以单元伪密度作为设计变量，结合材料插值模型进行静力学分析和迭代更新，从而实现结构减重。

2、然而，在电力横担的实际服役环境中，横担结构不仅需要承受整体弯曲、扭转以及导线荷载作用，其载荷施加点、支撑连接点等关键节点区域还承受较强的局部受力影响，关键节点处的连接可靠性对整体结构稳定性具有重要作用。在单一全局体积约束下，现有优化方法通常对整个设计域采用统一的灵敏度分析和密度更新策略，难以区分关键节点区域与普通过渡区域的不同功能需求，容易导致优化后期关键节点附近材料被过度削减，引发局部应力集中或连接强度不足的问题，使优化得到的理论构型难以直接满足工程应用要求。同时，常规数值迭代过程对材料连通状态的识别和约束不足，容易产生孤立材料块或非连续传力路径，导致拓扑构型在关键承力节点与主体结构之间出现连接不充分、过渡不平滑或传力路径不清晰的问题。因此，需要提出一种新的电力横担结构优化设计方法，以在满足整体轻量化目标的同时，合理保留关键节点区域的材料分布，并引导主承力路径保持连续，从而获得关键节点连接合理、传力路径清晰且更适于工程应用的电力横担连接构型。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中电力横担拓扑优化难以兼顾关键节点材料保留与主承力路径连续性，易产生关键节点镂空和材料孤岛的问题，第一方面，本发明提出了一种电力横担关键节点连接构型拓扑及其优化设计方法，包括如下步骤：

2、获取电力横担的初始设计域以及预设的关键节点位置信息，所述关键节点包括载荷施加点与结构支撑点，基于所述初始设计域进行有限元网格剖分得到有限元单元集合，基于所述初始设计域的全实体模型进行初始静力分析得到各单元的初始应变能密度并根据所述初始应变能密度设定初始伪密度变量场；

3、进入迭代优化计算，在每次迭代中基于所述关键节点位置信息将所述初始设计域划分为关键功能子域和过渡连接子域，基于当前的伪密度变量场对当前构型进行有限元分析得到各单元的响应，基于单元所属的子域类型设定评估邻域并根据所述评估邻域计算局部密度影响因子，对单元进行拓扑连通性分析得到主承力结构连通域并为不属于所述主承力结构连通域的单元设定隔离惩罚项；

4、计算各单元伪密度变量的灵敏度并根据所述局部密度影响因子与所述隔离惩罚项对所述灵敏度进行修正得到修正后的灵敏度，基于所述修正后的灵敏度在全局体积约束和所述关键功能子域的最小材料用量约束下更新所有单元的伪密度变量值，当满足设定的迭代收敛条件时输出最终的伪密度变量场，基于所述最终的伪密度变量场生成电力横担的连接构型。

5、另一方面，本发明还提出了一种电力横担关键节点连接构型拓扑及其优化设计系统，包括如下模块：

6、获取模块，用于获取电力横担的初始设计域以及预设的关键节点位置信息，所述关键节点包括载荷施加点与结构支撑点，基于所述初始设计域进行有限元网格剖分得到有限元单元集合，基于所述初始设计域的全实体模型进行初始静力分析得到各单元的初始应变能密度并根据所述初始应变能密度设定初始伪密度变量场；

7、计算模块，用于进入迭代优化计算，在每次迭代中基于所述关键节点位置信息将所述初始设计域划分为关键功能子域和过渡连接子域，基于当前的伪密度变量场对当前构型进行有限元分析得到各单元的响应，基于单元所属的子域类型设定评估邻域并根据所述评估邻域计算局部密度影响因子，对单元进行拓扑连通性分析得到主承力结构连通域并为不属于所述主承力结构连通域的单元设定隔离惩罚项；

8、输出模块，用于计算各单元伪密度变量的灵敏度并根据所述局部密度影响因子与所述隔离惩罚项对所述灵敏度进行修正得到修正后的灵敏度，基于所述修正后的灵敏度在全局体积约束和所述关键功能子域的最小材料用量约束下更新所有单元的伪密度变量值，当满足设定的迭代收敛条件时输出最终的伪密度变量场，基于所述最终的伪密度变量场生成电力横担的连接构型。

9、本发明将设计域划分为关键功能子域和过渡连接子域，并结合不同子域类型计算局部密度影响因子，实现对关键节点区域和过渡连接区域材料演化的差异化引导；通过拓扑连通性分析识别主承力结构连通域，并对主承力结构连通域外的孤岛单元设置隔离惩罚项，以减少材料孤岛和非连续传力路径。进一步地，利用局部密度影响因子和隔离惩罚项修正灵敏度，并在全局体积约束与关键子域最小材料用量约束下更新伪密度变量，从而在实现电力横担轻量化的同时，使载荷施加点、结构支撑点等关键区域保留充足材料，获得传力路径较明确、连通性较好的电力横担连接构型。

1.一种电力横担关键节点连接构型拓扑及其优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述初始设计域的全实体模型进行初始静力分析得到各单元的初始应变能密度并根据所述初始应变能密度设定初始伪密度变量场，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在每次迭代中基于所述关键节点位置信息将所述初始设计域划分为关键功能子域和过渡连接子域，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于单元所属的子域类型设定评估邻域并根据所述评估邻域计算局部密度影响因子，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对单元进行拓扑连通性分析得到主承力结构连通域并为不属于所述主承力结构连通域的单元设定隔离惩罚项，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各单元伪密度变量的灵敏度并根据所述局部密度影响因子与所述隔离惩罚项对所述灵敏度进行修正得到修正后的灵敏度，包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述修正后的灵敏度在全局体积约束和所述关键功能子域的最小材料用量约束下更新所有单元的伪密度变量值，包括：

8.一种电力横担关键节点连接构型拓扑及其优化设计系统，其特征在于，包括以下模块：

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述基于所述初始设计域的全实体模型进行初始静力分析得到各单元的初始应变能密度并根据所述初始应变能密度设定初始伪密度变量场，包括：

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述在每次迭代中基于所述关键节点位置信息将所述初始设计域划分为关键功能子域和过渡连接子域，包括：