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一种考虑多组件布局的多相材料拓扑优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)采用两套设计变量构造多组件形状和不同材料相的基体结构，其中，采用扩展系数插指隐式水平集函数构建不同材料相的基体结构，同时采用位置坐标和方向角度几何参数建立显式水平集函数，并采用显式水平集函数分别构造各个组件形状；接着，采用max函数将所有组件的水平集函数集成到一个水平集函数中，以得到集成有所有组件的多组件水平集函数；(2)基于彩色水平集多相理论和多组件水平集函数构造基体材料、多组件及空洞的材料相，并通过组件和基体的水平集函数的不同组合得到不同材料相的拓扑模型；接着，基于Heaviside函数获得不同材料相连续变化的单元密度；

本发明属于多相材料拓扑优化设计相关技术领域，其公开了一种考虑多组件布局的多相材料拓扑优化设计方法，该方法用显式水平集函数及隐式水平集函数分别构造多组件形状及基体结构；通过彩色水平集多相材料理论和显式水平集函数得到多个材料以及多组件的拓扑表达，基于Heaviside函数得到单元密度；接着用材料插值方案将不同相材料的弹性模量与多组件的弹性模量插值得到等效弹性模量；其次，基于参数化水平集拓扑优化方法和彩色水平集多相材料理论建立考虑多组件布局的多相材料拓扑优化设计模型，实现多组件布局与多相材料基体的并行优化设计及多相材料中多组件集成系统结构整体性能达到最优。本发明实现了考虑多组件布局的多相材料拓扑优化设计。

复合材料是由具有明显可区分特性的多种成分材料相制成，可以产生多种组合功能。复合多相材料是两种或者两种以上不同材料的不同组合，与单相材料相比，复合多相材料可以实现不同材料的性能。一般地，复合多相材料具有较高的比刚度和比强度，也就说明材料重量轻，而且强度和刚度较高。除此之外，复合多相材料具有较好的抗疲劳性能，其疲劳寿命比一般的金属长数倍。在减振降噪方面，复合多相材料同样优于单相材料，具有较好的减振隔音性能。伴随着3D技术的兴起，多相材料具备优异的性能且成本较低，在工程中的应用变得越来越重要。

结合复合多相材料性能，特别符合航空航天领域中结构设计特点，不仅可以实现飞行器结构的轻量化设计，同时可使整体结构具有较强的刚度和优异的减振性能，且设备零件具有较高的安全性能。多组件集成布局优化设计是航空航天、汽车、军工等领域中经常遇到的技术问题，有时需要将一个或者几个固定形状的几何体嵌入到设计结构中来满足我们需要的特定功能。所以就要同时考虑多组件在结构中的布局设计以及连接组件的基体的结构优化设计。这就要求在优化组件位置分布与角度的同时，优化基体材料的分布，以实现结构性能最优。

华中科技大学（Huazhong University of Science and Technology），简称华中大、华科大 ，位于湖北省武汉市，是中华人民共和国教育部直属的综合性研究型全国重点大学、位列国家“双一流”“985工程”“211工程”、入选“强基计划”“111计划”、卓越工程师教育培养计划、卓越医生教育培养计划、国家大学生创新性实验计划、国家级大学生创新创业训练计划、国家建设高水平大学公派研究生项目、国家级新工科研究与实践项目、基础学科拔尖学生培养计划2.0，是学位授权自主审核单位、全国深化创新创业教育改革示范高校、一流网络安全学院建设示范项目高校、中国政府奖学金来华留学生接收院校、教育部来华留学示范基地，为中欧工程教育平台成员和医学“双一流”建设联盟 、国际应用科技开发协作网 、全球能源互联网大学联盟成员。

1.本发明提供的考虑多组件布局的多相材料拓扑优化设计方法，与现有的技术方案相比，基体材料是复合多相材料，具有更加优越的材料性能和组合功能，可以满足航空航天、火箭、导弹等军工制造中的结构性能设计需求。

2.所述优化设计方法开发了两个及两个以上的材料相复合结构的通用并行设计方式，可以实现多相材料的基体与不同材料的组件同时优化设计，在获得组件最优布局的同时，得到基体结构不同相材料的最佳分布。

3.所述优化设计方法采用显式和隐式水平集函数分别表示多组件和基体结构，采用两套设计变量，即插值基体隐式水平集函数的扩展系数和构造组件显式水平集函数的位置坐标及方向角度几何参数，极大地降低了设计变量数量。

4.所述优化设计方法可以方便地处理不同相材料的多个体积约束，精确控制多个组件的几何形状，同时可以获得清晰、独特的不同材料相的拓扑结构边界。

本专利成果采用技术转让，技术入股，技术合作等成果转化方式，希望进一步实现该专利的有益效果，有兴趣皆可面议。