考虑界面各向异性应力约束的异质材料连接构件拓扑优化方法、产品

本发明涉及结构优化设计与机械传力系统设计，具体涉及一种考虑界面各向异性应力约束的异质材料连接构件拓扑优化方法、产品。

背景技术：

1、在现代高端装备制造、车辆工程及航空航天的轻量化演进进程中，纤维增强复合材料（frp）因其极高的比强度、比刚度、优异的抗疲劳性能和耐腐蚀性能，正逐步替代传统金属材料被广泛应用于主承力结构中。然而，作为一个完整的机械传力系统，复合材料构件往往无法孤立存在，必须通过金属连接支架或机械接头与系统主骨架组合。此类异质材料（高强金属与各向异性复合材料）连接节点是复杂多轴载荷传递的枢纽，也是整个系统刚度匹配与碰撞能量分布的核心制约因素。现有的连续体拓扑优化技术在处理此类异质连接结构时，暴露出严重的理论局限性与工程缺陷。

2、首先，异质材料界面的力学模量严重失配引发了剧烈的局部接触应力集中。传统拓扑优化大多以“柔度最小化（系统总体刚度最大化）”作为单一的优化目标。在处理金属连接支架设计时，算法会自动驱使高强金属趋向于极端刚性化。然而，高强金属的弹性模量通常在210gpa左右，而连续玻璃纤维或碳纤维增强复合材料的横向压缩模量往往仅为10至20gpa。这种巨大的模量鸿沟导致在受载时，金属与复合材料连接界面的变形极不协调，载荷高度集中在金属支架边缘、螺栓孔边等突变处。复合材料层间剪切强度通常较低，对局部接触应力极其敏感。在这种应力集中作用下，frp构件尚未发挥其整体抗弯性能，便会在连接端部提前发生孔边挤压屈服、基体压溃或层间撕裂失效。

3、其次，复合材料多模式物理失效评估与拓扑优化局部应力约束之间存在极高的数学融合壁垒。目前绝大多数商用拓扑优化软件仅内置了基于材料各向同性假设的von-mises屈服准则，采用该准则评估复合材料完全忽视了纤维与树脂基体在承载机制上的根本差异。虽然部分现有专利（如中国专利cn118280485a）尝试将tsai-hill失效准则引入拓扑优化中，但tsai-hill或tsai-wu等整体唯象准则采用单一闭合二次曲面包络，无法区分纤维断裂与基体开裂，往往会给出极其保守的预测，限制了结构的轻量化潜力。要实现精准的演化，必须引入能够区分不同失效模式的物理机制解耦型失效准则。然而，在拓扑优化中引入局部应力约束面临着公认的三大数值计算难题：一是低密度伪影材料无法彻底清除的应力奇异现象；二是海量局部单元应力状态引发的维数爆炸问题，导致伴随灵敏度分析耗尽内存；三是控制最恶劣应力状态所需的最大值极值函数在数学上不连续且不可导，破坏了基于梯度算法的求解收敛性。

4、综上所述，现有技术无法在异种材料结构拓扑优化中，科学地兼顾各向异性复杂失效机制的精准解耦评价与全局稳定求解，亟需一种能够在异质材料连接结构拓扑优化中，兼顾各向异性失效机制精准解耦与全局稳定求解的界面应力约束拓扑优化方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种考虑界面各向异性应力约束的异质材料连接构件拓扑优化方法、产品，以金属连接构件为几何设计演化对象，将被连接的复合材料界面设定为响应监测域，通过将界面局部接触的chang-chang多模式失效响应经p-范数聚合为全局等效失效标量，并作为硬性非线性约束反向驱动金属连接构件的拓扑重构。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、提供一种考虑界面各向异性应力约束的异质材料连接构件拓扑优化方法，包括以下步骤：

4、s1、建模与基础优化模型构建：建立包含金属连接构件设计域与纤维增强复合材料制件监测域的异质装配体有限元模型，针对多工况复杂载荷边界，构建以系统宏观刚度最大化为目标、以设计域体积保留率为约束的连续体拓扑优化模型；监测域为被动响应监测对象，不参与材料插值演化；

5、s2、界面各向异性失效解耦：在每次优化迭代对应有限元分析完成后，提取监测域内紧贴异质结合面的离散单元之正交各向异性应力张量，采用chang-chang准则将其解耦为四个相互独立的非负微观失效因子，分别为纤维拉伸失效因子、纤维压缩失效因子、基体拉伸失效因子、基体压缩失效因子；

6、s3、p-范数全域降维：引入p-范数聚合算子，其中n为界面区域复合材料单元总数，为第i个单元的第j种失效因子，将4n个局部失效因子平滑聚合为4个与失效模式一一对应的全局等效失效标量；

7、s4、约束嵌入：分别设定4个全局等效失效标量的安全上限，作为硬性非线性约束并入步骤 s1 的优化模型中，与设计域体积约束共同构成迭代求解的约束集；

8、s5、解析导数驱动演化：基于伴随变量法求解全局等效失效标量对金属设计域内单元材料相对密度的解析导数，驱动金属连接构件在毗邻结合面处进行刚度重分配与材料重排，直至满足体积约束与四项界面失效约束后迭代收敛，输出金属连接构件的三维几何构型。

9、进一步地，步骤s1中，优化模型采用 simp 插值材料惩罚模型，以系统总柔度最小化为优化目标。

10、进一步地，步骤s2中，四个微观失效因子的计算方式为：

11、提取界面单元在纤维局部坐标系下的纵向正应力σ11、横向正应力σ22、面内剪切应力τ12，结合纤维拉伸强度、纤维压缩强度、基体拉伸强度、基体压缩强度、面内剪切强度s12，按以下分支计算：

12、纤维拉伸失效因子（当时）：；

13、纤维压缩失效因子（当时）：；

14、基体拉伸失效因子（当时）：；

15、基体压缩失效因子（当时）：；

16、其中β为剪切修正系数。

17、作为优选，步骤s3中，聚合惩罚常数p经由收敛稳定性与极值逼近误差平衡限定为有限取值，并满足6≤p≤10。

18、作为优选，步骤 s4 中，安全上限为 0.9。

19、进一步地，步骤s1中，步骤s1中，针对多工况复杂载荷边界，具体包括：根据各工况的界面应力集中剧烈程度进行成对比较，设定多工况权重分布向量，并将基础目标设定为加权系统总应变能最小化。

20、更进一步地，设定权重优先级，具体包括:将产生最大弯矩且具备连接断裂高风险的加载工况设为最高优先级，赋予最大权重;将承受竖向剪切载荷的工况设为中等优先级，赋予次大权重;将用于校核侧向稳定性的受力工况设为最低优先级，赋予最小权重。

21、进一步地，步骤s2与s3在通用有限元工业求解器内核中执行时，通过外部脚本自动遍历异质材料接触边界，批量生成底层响应提取控制卡片，动态构建内部解析方程卡片将chang-chang失效因子计算逻辑与p-范数聚合算子常驻写入求解内核，并建立复合响应约束关联卡片，使每一次迭代求导过程中界面约束响应与局部单元应力状态自动闭环更新。

22、进一步地，步骤 s5 输出三维几何构型后，还包括：

23、将应力约束演化获得的连续密度场轮廓进行样条平滑倒圆与实体重构，提取重构模型的截面厚度及特征尺寸作为参数，基于全局响应面代理模型执行参数化多学科尺寸搜索与板厚匹配，输出符合机械模具成型规范的实体模型。

24、本发明还提供一种使用考虑界面各向异性应力约束的异质材料连接构件拓扑优化方法得到的金属与纤维增强复合材料异质连接骨架单元，包括高强金属制主承力支架及与之通过紧固件连接的纤维增强复合材料构件，主承力支架靠近复合材料构件结合界面的过渡区域及紧固孔周缘一体化成型有贴合复合材料表面轮廓的平面应力缓冲板；应力缓冲板在背向结合界面的一侧连接有若干延伸至主传力路径的分导加强筋；平面应力缓冲板与分导加强筋共同构成将紧固孔周边剪切载荷向主骨架分散传递的空间桁架式传力路径，缓冲板通过增大接触承压面积抑制界面局部基体压溃。

25、本发明的有益效果：

26、一、针对传统单一刚度优化导致金属构件极端刚性化、忽视界面模量失配的缺陷，本发明通过将复合材料界面设定为被动监测域、金属构件为主动设计域，在优化模型中引入各向异性界面应力约束，引导金属材料在紧固孔周边自适应形成应力缓冲板与分导加强筋。该结构主动降低局部刚度梯度，将集中剪切载荷分散至主骨架，降低frp孔边基体压溃风险。在同等质量条件下，极限承载力提升，极限失效位移降低，系统初始刚度显著提高，实现针对异质材料界面模量失配的主动调控，显著提升系统极限承载力。

27、二、相比于现有技术采用的tsai-hill/tsai-wu等唯象准则（单一闭合曲面包络、无法区分纤维断裂与基体开裂），本发明在拓扑优化框架中引入基于物理机制分离的chang-chang失效评价方法，将界面失效解耦为纤维拉伸、压缩，基体拉伸、压缩四个独立模式，能够精确识别当前结构的最薄弱破坏模式（如孔边基体压溃），并据此定向驱动金属材料的拓扑重构，避免保守准则导致的过度设计，充分发挥轻量化潜力，突破唯象准则的保守性限制，实现复合材料失效模式的精确靶向抑制。

28、三、针对局部应力约束固有的“应力奇异”、“维数爆炸”、“极值不可导”难题，本发明引入p-范数聚合算子，将界面区域4n个局部失效因子平滑聚合为4个连续可导的全局标量响应。该策略不仅降低局部极值响应导致的数值震荡，提高优化过程稳定性，还将约束数量从数万个缩减至4个，同时保证梯度信息完全解析可导，使大规模工业级有限元模型（含非线性接触）的拓扑优化能够稳定收敛。

29、四、本发明提出了一套基于卡片响应映射的自动化闭环架构，使本方法可直接嵌入现有工程设计流程，现有商业软件通常缺少面向该类拓扑优化流程的直接配置方式，本发明可减少人工配置工作量，提供商业求解器原生缺失功能的自动化闭环方案，大幅降低了工程化应用门槛。