(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211329772.0 (22)申请日 2022.10.27 (71)申请人 上海理工大 学 地址 200093 上海市杨 浦区军工路516号 (72)发明人 李天箭　董宣廷　王瀚　丁晓红　 范琳琅　 (74)专利代理 机构 上海申汇 专利代理有限公司 31001 专利代理师 翁若莹　王晶 (51)Int.Cl. G06T 17/20(2006.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于骨架属性 提取技术的结构设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于骨架属性提取技术的 结构设计方法， 包括建立骨架模型： 由结构关键 节点的关键物理、 几何信息所表征， 建立这些关 键信息的存储模 型， 将模型存储的数据信息成为 骨架属性信息； 获得骨架模型信息： 对设计目标 原始结构进行有限元划分和拓扑优化， 得到拓扑 优化后的模型。 本发明结合有限元技术的发展， 利用有限元分析的相关特性， 引入区块和切片， 将整个实体结构分为若干部分进行分析。 选择距 离每个部分的形状中心最近的网格节点作为关 键节点， 按照顺序进行连接， 提取有限元分析结 果中的重要数据， 构成结构骨架并且能够更容易 地对骨架上各节点的物理属性进行分析， 在对物 理属性进行提取和分析后， 可以为后续根据骨架 的分析提供理论依据。 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 CN 115471633 A 2022.12.13 CN 115471633 A 1.一种基于骨架属性提取技术的结构设计方法， 其特征在于： 提出的骨架不仅包含结 构的几何信息， 还包含骨架的物理信息， 以对物理属性的提取和分析为基础， 为后续根据骨 架的分析提供理论依据， 具体包括如下步骤： 1)建立骨架模型： 采用由结构关键节点的关键物 理、 几何信 息所表征， 建立这些关键信 息的存储模型， 将模型存 储的数据信息成为骨架属性信息； 2)获得骨架模型信息： 对设计目标原始结构进行有限元划分和拓扑优化， 得到拓扑优 化后的模型； 3)对拓扑优化获得的拓扑结构模型进行几何结构的分块和切片， 切片完成后重新定义 分块， 将模型切分成若干个部分以方便分析； 4)读出每个重新定义的区块中所包含的有限元网格节点的编号， 在各区块中寻找距离 区块中心点 最近的网格节点作为关键节点； 5)寻找结构与外界连接形成的约束点， 作为关键节点； 6)提取关键节点位置、 应力应变、 力传导、 各阶振幅， 切片质量的关键物理信息和性能 信息； 7)从约束点出发， 按切片信息连接关键节点， 确定骨架的空间几何位置与形态； 8)对骨架进行分析， 提出各节点的坐标值、 变形量， 计算获得出各节点的静刚度矩阵， 确定符合 性能需求需满足的性能条件。 2.根据权利要求1所述的基于骨架属性提取技术的结构设计方法， 其特征在于： 步骤3) 中， 对拓扑优化完成后的拓扑结构模型， 分别 记录每个固定约束节点pi的坐标， 固定约束节 点处变形值为最小变形值； 读出最大变形值， 确定最大变形点坐标； 根据变形 的大小， 将最 小值和最大变形值之间的区域均匀分成多个子区域， 记为区块Bi， i＝1,2, …,n； 从各个固 定约束节点出发， 分别以xoy平面、 yoz平 面和xoz平 面作为第一个切片； 以网格单元大小 λ 的 倍数作为步长， 在x、 y、 z三个方向上分别对模型进行切片， 将切片记为Cj， 在切片过程中如 未遇到分支情况则仅取 单连通区域。 3.根据权利要求1所述的基于骨架属性提取技术的结构设计方法， 其特征在于： 步骤4) 中， 通过两点之间的距离公式计算出各个有限元网格节点与该中心点之间的距离， 记录距 离的最小值所对应的有限元网格节点 坐标， 将该节点作为该区块内的关键节点。 4.根据权利要求1所述的基于骨架属性提取技术的结构设计方法， 其特征在于： 步骤8) 的具体方法步骤为： (1)用有限元分析软件对原始模型进行分析， 设置网格大小， 对模型进行拓扑优化， 通 过有限元分析软件提取出优化后各骨架节点的坐标值和变形值大小， 进行记录； 按照区块 的定义， 根据变形 大小来对节点进行分组； (2)根据切片的定义以及上面的步骤， 在记录文件中筛选后定义新的区块， 记录关键切 片的对应方向的坐标； 根据记录的坐标值大小， 计算各个区块的中心点坐标； 考虑区块内的节点数与中心点 之间的距离， 计算区块内各个节点， 并按升序进 行排列， 将区块内的节点数与中心 点之间距 离的最小值记为d， 记录d所对应的坐标作为关键节点的坐标； (3)对每个节点按照连接顺序进行排列， 用数值处理软件对各节点进行绘制， 得到的点 线图即为结构的骨架。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115471633 A 2基于骨架属性提取技术的结构设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及一种工程结构设计技术， 特别涉及一种基于拓扑优化， 开展结构的骨 架模型提取、 结构关键性能属性分析以用于结构再设计的方法。 背景技术 [0002]结构拓扑优化能在工程结构设计的初始阶段为设计者提供一个概念性设计， 使结 构在布局和拓扑上采用最优方案， 与尺寸优化和形状优化相比能够取得更好的优化效果。 结构拓扑优化的目的是找到最佳的拓扑结构， 使 结构性能最大化， 同时满足各种约束 条件， 如一定量的材料、 体积约束以及结构中的最大最小尺寸大小等等。 与尺寸和形状优化相比， 拓扑优化提供了更大 的自由度， 允许设计者为结构创造完全新颖和高效的概念设计， 因此 拓扑优化已经成为当今 研究结构优化设计时需要考虑的一个重点。 [0003]但拓扑优化得到的结构几何形状和结构对应的物理属性信息比较复杂， 当前设计 技术中缺少对拓扑 结构信息有效提取、 存 储和利用这些信息进行 结构再设计的方法。 [0004]所以当前拓扑设计的工程化方法是基于工程人员对拓扑结构的经验分析进行几 何形状的重构， 而不是基于拓扑后结构的物理属性与性能属性进行对关键特征的性能重 构。 [0005]因此， 需要提出一种骨架模型提取技术及其对应 的结构设计方法， 能够有效地提 取和存贮拓扑优化设计后结构的拓扑信息、 形状特征和性能特征(拓扑设计过程中各分析 工况条件下的应力、 应变信息； 激振条件下的振动频率与振型信息等)。 也就是该骨架模型 中不仅存储了能够有效地描述拓扑结构几何和空间形貌特征， 更重要的是能够提供结构的 性能特征。 发明内容 [0006]本发明是要提出一种基于骨架属性提取技术的结构设计方法， 主要考虑对拓扑优 化完成后的模型进行骨架的提取， 以获得所需要提取 的参数及骨架模型 的存储结构， 再对 拓扑模型按骨架模型所需提取和存储数据， 通过对骨架模型 的数据分析， 给出符合性能需 求需满足的设计和性能条件， 为完成拓扑结构的工业/工程再设计提供科学指导和数据保 障。 [0007]本发明的技术方案为： 一种基于骨架属性提取技术的结构设计方法， 具体包括如 下步骤： [0008]1)建立骨架模型： 采用由结构关键节点的关键物理、 几何信息所表征， 建立这些关 键信息的存 储模型， 将模型存 储的数据信息成为骨架属性信息； [0009]2)获得骨架模型信息： 对设计目标原始结构进行有限元划分和拓扑优化， 得到拓 扑优化后的模型； [0010]3)对拓扑优化获得的拓扑结构模型进行几何结构的分块和切片， 切片完成后重新 定义分块， 将模型切分成若干个部分以方便分析；说　明　书 1/5 页 3 CN 115471633 A 3