一种基于结构拓扑优化的多边形龙门滑枕优化设计方法与流程

本发明涉及智能优化，尤其涉及一种基于结构拓扑优化的多边形龙门滑枕优化设计方法。

背景技术：

1、随着机床加工精度要求的不断提高，龙门机床的滑枕承担主轴组件并沿横梁或滑鞍作直线进给，其质量、静刚度、动态特性和热稳定性直接影响刀具中心点的定位精度及加工表面质量。多边形截面滑枕能够利用多个外壁面布置导轨、附件或加强结构，但其外轮廓顶点、不同侧壁、安装接口和内部筋板之间存在强耦合，设计变量数量大。

2、现有技术中，龙门滑枕的优化设计存在以下问题：常规优化方法未将导轨连接区、主轴安装区、驱动连接区和密封面等关键区域与可调整材料区域进行区分，导致上述区域的材料在优化过程中被误删减；现有优化通常仅针对单一行程位置或额定工况进行，忽略滑枕在不同伸出位置下受力状态和刚度特性的差异，优化结果难以覆盖滑枕全行程；基于密度法或渐进结构优化的常规拓扑优化方法仅以结构性能为目标，未将铸造壁厚、筋板连续性、刀具可达性和对称性等制造约束嵌入优化过程，优化后需大量人工重构且重构后性能偏离优化结果；若强化学习每次动作后均调用有限元求解器，则计算成本过高，若仅依赖代理模型而不做校核，则预测偏差在迭代中累积导致结果偏离真实最优；收敛后的密度场缺乏向可制造实体模型的确定性重构路径，且重构后性能偏差无法反馈至迭代过程。

3、因此，本发明提出了一种基于结构拓扑优化的多边形龙门滑枕优化设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于结构拓扑优化的多边形龙门滑枕优化设计方法，以解决现有技术中常规拓扑优化方法难以兼顾多工况结构性能与可制造性、优化结果需大量人工重构且重构后性能偏离优化结果、以及强化学习结合拓扑优化时计算成本高且缺乏动作约束的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一种基于结构拓扑优化的多边形龙门滑枕优化设计方法，包括：

4、s1、获取多边形龙门滑枕的外轮廓、导轨副连接、主轴箱或主轴组件安装、驱动连接、行程、材料、制造参数，建立由多边形外边界限定的参数化设计域；在参数化设计域中，将导轨连接区、主轴安装区、驱动连接区和预设密封面设为不可设计区，将其余允许去除材料的区域设为可设计区；

5、s2、根据滑枕在行程方向上的多个离散位置以及各离散位置对应的切削力、重力、惯性力、导轨约束和热载荷生成多个分析工况，对参数化设计域进行有限元离散，得到有限元网格，并根据各有限元单元之间的邻接关系构建结构图，针对初始密度场执行一次全工况有限元求解，获得节点初始特征和全局响应；

6、s3、以结构图、各有限元单元中的数据构建强化学习环境；构建用于依次确定目标区域、拓扑操作类型和材料密度调整量的分层强化学习智能体，

7、s4、根据最小壁厚、最小筋宽、载荷通路连通性、多边形外壁连续性、筋板连续性、加工刀具可达性和对称性约束中的至少四项生成动作掩码，利用动作掩码屏蔽不满足制造约束或结构约束的目标区域与拓扑操作组合，并由分层强化学习智能体在未被屏蔽的组合中输出拓扑动作；

8、s5、执行拓扑动作以更新可设计区内的材料密度场，通过有限元求解器或经有限元样本训练的代理模型获得更新后的结构响应；根据结构响应中的最不利工况数值及相邻迭代拓扑变化量计算奖励值，并利用奖励值更新分层强化学习智能体，直至满足预设收敛条件。

9、优选的，所述步骤s1中，多边形外边界由沿滑枕轴向设置的多个截面控制环确定，每个截面控制环由不少于六个有序顶点构成；通过对应顶点之间的放样面形成滑枕外壁；制造参数至少包括铸造拔模方向、拔模角范围、最小圆角半径、封闭型腔限制、刀具直径和刀具进入方向。

10、优选的，所述步骤s2中，多个分析工况包括滑枕上端行程位置的静态切削工况、滑枕中部行程位置的静态切削工况、滑枕下端行程位置的静态切削工况、快速进给制动工况和温度梯度工况；将每一分析工况下的刀具中心点位移和结构柔度归一化后，以最大值或平滑最大值形成最差结构柔度和最大刀具中心点位移。

11、优选的，所述步骤s3中，结构图以有限元单元或由相邻有限元单元聚合形成的超单元为节点，以共享面、共享边或预设距离范围内的邻接关系为边，节点特征包括应力主方向、应变能密度、局部厚度、载荷通路标识和制造方向标识，边特征包括相邻节点的中心距、材料密度差和应力方向夹角；分层强化学习智能体利用图神经网络编码结构图；

12、结构图、各有限元单元中的数据包括：材料密度、应力、应变能、拓扑灵敏度、至多边形外边界的距离、至不可设计区的距离以及各分析工况的全局响应为状态。

13、优选的，所述步骤s4中，载荷通路连通性约束通过在不可设计区之间建立关键节点集合并判断材料节点子图是否保持连通来确定；当材料削减动作导致任一导轨连接区至主轴安装区之间的材料节点子图断开、形成小于最小筋宽的连接颈部或使局部外壁厚度小于最小壁厚时，将对应材料削减动作写入动作掩码。

14、优选的，所述步骤s5中，结构响应包括：质量、各分析工况的结构柔度、刀具中心点位移、一阶固有频率和约束违反量；结构响应中最不利工况数值包括：各分析工况中的最差结构柔度、最大刀具中心点位移。

15、本发明还包括：在代理模型的预测不确定度达到校核阈值、候选拓扑进入预设高奖励区间或达到预设校核周期时，调用有限元求解器对候选拓扑进行校核，并利用校核结果修正代理模型和奖励值；

16、在满足收敛条件后，对材料密度场依次进行阈值二值化、孤立连通域处理、多边形边界拟合和筋板几何重构，并对重构后的滑枕模型执行全工况有限元复核，输出满足质量上限、刚度下限、固有频率下限和制造约束的多边形龙门滑枕优化设计模型。

17、优选的，所述代理模型包括用于预测多工况结构响应的图神经网络代理模型和用于输出预测方差的集成不确定度估计单元；当预测方差大于校核阈值时，停止依据代理模型发放正奖励，将当前候选拓扑提交至有限元求解器，并将有限元校核得到的结构响应连同当前状态和拓扑动作写入优先经验回放池。

18、优选的，所述多边形边界拟合和筋板几何重构包括：提取二值化材料域的骨架和等密度边界；将与多边形外壁相交的骨架分支转换为具有预设厚度和圆角半径的筋板；将孤立材料域并入距离最近且满足应力主方向夹角阈值的主载荷通路，或在并入后仍不满足连通性时删除所述孤立材料域；对重构模型进行网格重划分，并在全工况复核不合格时回退到重构前的材料密度场继续迭代。

19、与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

20、本发明通过建立由多边形外边界限定的参数化设计域，并将导轨连接区、主轴安装区、驱动连接区和密封面设为不可设计区，将其余区域设为可设计区，使得优化过程仅在可设计区内调整材料分布，不可设计区始终保留材料，从而保证了滑枕安装接口和密封面的结构完整性。

21、本发明通过根据滑枕在行程方向上的多个离散位置以及各离散位置对应的切削力、重力、惯性力、导轨约束和热载荷生成多个分析工况，并将每一分析工况下的刀具中心点位移和结构柔度归一化后以最大值或平滑最大值形成最差结构柔度和最大刀具中心点位移，使优化目标覆盖滑枕全行程范围内的所有工况，避免了优化结果仅适用于局部行程位置而无法满足其他行程位置性能要求的问题。

22、本发明通过根据最小壁厚、最小筋宽、载荷通路连通性、多边形外壁连续性、筋板连续性、加工刀具可达性和对称性约束中的至少四项生成动作掩码，利用动作掩码屏蔽不满足制造约束或结构约束的目标区域与拓扑操作组合，使智能体仅在可制造且结构合理的动作空间中搜索，避免了优化过程中产生壁厚过薄、筋宽不足、载荷通路断裂、外壁或筋板不连续、刀具无法到达以及破坏对称性的不可制造中间方案。

23、本发明通过在代理模型的预测不确定度达到校核阈值、候选拓扑进入预设高奖励区间或达到预设校核周期时调用有限元求解器对候选拓扑进行校核，并利用校核结果修正代理模型和奖励值，使高精度有限元求解仅在代理模型不确定度较高、候选方案价值较高或达到固定周期时触发，在保证优化精度的同时减少了高精度求解的调用次数，降低了计算成本。

24、本发明通过在满足收敛条件后对材料密度场依次进行阈值二值化、孤立连通域处理、多边形边界拟合和筋板几何重构，对重构后的滑枕模型执行全工况有限元复核，并在复核不合格时回退到重构前的材料密度场继续迭代，使最终输出的滑枕模型为可直接用于制造的实体结构，且重构后的性能偏差通过回退机制反馈至迭代过程，保证了拓扑优化结果、重构实体模型和复核结果之间的性能一致性。