基于碰撞损伤模式反馈的仿生吸能结构优化方法及系统

本发明涉及碰撞防护与吸能结构设计，尤其涉及一种基于碰撞损伤模式反馈的仿生吸能结构优化方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、吸能结构能够通过自身变形吸收碰撞能量，降低冲击载荷对主体结构的影响，在汽车防撞系统、轨道车辆吸能装置、航空航天缓冲结构、电池包防护系统以及工程防护装备等领域得到了广泛应用。为了提高结构的吸能效率和碰撞防护能力，研究人员开展了大量关于吸能结构设计与优化方法的研究。

3、现有优化方法主要围绕结构参数和性能指标进行调整，优化过程更多关注结构最终性能的变化，对于碰撞过程中产生的损伤演化行为利用较少。结构特征如何影响裂纹扩展、屈曲传播、渐进塌缩以及能量耗散等过程缺乏有效表征，结构损伤模式与结构设计之间尚未形成有效反馈机制。因此，现有方法难以根据结构在碰撞过程中的实际损伤行为对结构进行持续优化，也难以实现吸能机理与结构设计的协同改进。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于碰撞损伤模式反馈的仿生吸能结构优化方法及系统，将结构碰撞过程中产生的损伤行为引入优化过程，建立损伤模式与结构特征之间的关联关系，通过仿生吸能结构的迭代优化设计，获得具有优异碰撞防护性能和稳定吸能特性的结构方案。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、本发明第一方面提供了一种基于碰撞损伤模式反馈的仿生吸能结构优化方法，包括以下步骤：

4、根据目标结构的碰撞防护需求构建初始仿生吸能结构模型，并对初始仿生吸能结构模型进行碰撞分析，得到损伤数据；

5、利用智能损伤识别模型对损伤数据进行损伤识别，获得结构损伤行为信息并提取损伤特征参数；

6、根据损伤特征参数将结构碰撞过程中产生的损伤演化特征进行统一编码表征，从而构建损伤基因体系，基于损伤基因体系分析结构参数与损伤基因之间的关联关系，建立贡献度关系模型，根据贡献度关系模型识别影响结构损伤模式的关键结构特征，并对结构损伤机理进行解析；

7、根据损伤机理解析结果生成结构优化策略，根据结构优化策略对初始仿生吸能结构模型进行结构更新，生成新一代仿生吸能结构模型。

8、进一步的，根据目标结构的碰撞防护需求构建初始仿生吸能结构模型的具体步骤为：

9、根据目标结构的应用场景、载荷形式、冲击方向、轻量化约束以及期望损伤模式，确定目标结构的碰撞防护需求，并根据所述碰撞防护需求选择对应的生物原型，建立仿生吸能结构模型；

10、对仿生吸能结构模型进行参数化建模，确定结构几何参数、材料参数以及拓扑构型参数，形成用于后续碰撞分析和结构优化的初始仿生吸能结构模型。

11、进一步的，对初始仿生吸能结构模型进行碰撞分析的具体步骤为：

12、根据目标结构的应用场景确定碰撞工况参数，所述应用场景包括汽车防撞结构、轨道车辆吸能装置、航空航天缓冲结构、电池包防护结构以及工程防护装备中的一种或多种；所述碰撞工况参数包括冲击速度、冲击质量、碰撞角度、约束条件以及载荷形式中的一种或多种；

13、基于碰撞工况参数对初始仿生吸能结构模型进行碰撞分析，获得结构在碰撞过程中的动态响应结果作为损伤数据。

14、更进一步的，采用有限元数值仿真、物理碰撞试验或数值仿真与物理试验相结合的方式进行碰撞分析，碰撞分析过程中记录结构从初始接触至碰撞结束阶段的变形演化过程，以获得结构在冲击载荷作用下的损伤演化信息和能量吸收响应信息。

15、进一步的，损伤特征参数包括裂纹扩展特征、局部屈曲特征、渐进塌缩特征、结构稳定性特征、能量耗散特征中的一种或多种，损伤基因体系由损伤基因构成，损伤基因与损伤特征参数对应，具体包括裂纹基因、屈曲基因、塌缩基因、稳定性基因、耗能基因。

16、进一步的，对新一代仿生吸能结构模型进行性能评价和损伤评价，判断是否满足预设优化目标，当新一代仿生吸能结构模型满足预设优化目标时，终止迭代过程并输出最终优化结果；当未满足预设优化目标时，将新一代仿生吸能结构模型作为下一轮迭代的初始结构。

17、本发明第二方面提供了一种基于碰撞损伤模式反馈的仿生吸能结构优化系统，包括：

18、初始模型构建模块，被配置为根据目标结构的碰撞防护需求构建初始仿生吸能结构模型，并对初始仿生吸能结构模型进行碰撞分析，得到损伤数据；

19、损伤识别及参数提取模块，被配置为利用智能损伤识别模型对损伤数据进行损伤识别，获得结构损伤行为信息并提取损伤特征参数；

20、损伤关联及机理分析模块，被配置为根据损伤特征参数将结构碰撞过程中产生的损伤演化特征进行统一编码表征，从而构建损伤基因体系，基于损伤基因体系分析结构参数与损伤基因之间的关联关系，建立贡献度关系模型，根据贡献度关系模型识别影响结构损伤模式的关键结构特征，并对结构损伤机理进行解析；

21、结构优化及模型更新模块，被配置为根据损伤机理解析结果生成结构优化策略，根据结构优化策略对初始仿生吸能结构模型进行结构更新，生成新一代仿生吸能结构模型。

22、本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序适于由处理器加载并执行如本发明第一方面所述的基于碰撞损伤模式反馈的仿生吸能结构优化方法中的步骤。

23、本发明第四方面提供了一种计算机设备，该设备包括：

24、处理器，适于执行计算机程序；

25、计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被所述处理器执行时，实现如本发明第一方面所述的基于碰撞损伤模式反馈的仿生吸能结构优化方法。

26、本发明第五方面提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行如本发明第一方面所述的基于碰撞损伤模式反馈的仿生吸能结构优化方法中的步骤。

27、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

28、本发明公开了一种基于碰撞损伤模式反馈的仿生吸能结构优化方法及系统，该方法包括初始仿生吸能结构构建、碰撞分析、损伤数据获取、智能损伤识别、损伤特征提取、损伤基因构建、损伤机理解析、结构优化策略生成以及结构迭代更新等步骤。通过获取结构碰撞过程中的损伤演化信息，对碰撞过程中产生的裂纹扩展、局部屈曲、渐进塌缩及能量耗散等损伤行为进行识别与量化表征，构建表征结构损伤机理的损伤基因体系；基于结构参数与损伤基因之间的贡献度关系模型，解析结构损伤机理并生成对应的结构优化策略，实现结构沿有利损伤模式方向持续进化。本发明实现了由损伤演化信息驱动的仿生吸能结构闭环迭代优化设计，可实现仿生吸能结构的闭环迭代优化设计，并获得具有稳定渐进塌缩特征和优异碰撞防护性能的结构方案。

29、本发明通过引入碰撞损伤演化信息参与结构优化过程，实现结构损伤行为与结构特征之间的有效关联；通过构建损伤基因体系，实现复杂损伤模式的统一表征与量化描述，提高结构损伤机理解析能力；通过建立基于损伤模式反馈的闭环迭代优化机制，实现结构沿有利损伤模式方向持续进化，从而获得具有优异吸能性能和碰撞防护能力的仿生吸能结构。

30、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。