(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 202111539102.7 (22)申请日 2021.12.16 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210007 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 吴志荣　潘盈　杨鑫　杨宜蓉　 王帅强　方磊　 (74)专利代理 机构 南京华鑫君辉专利代理有限 公司 3254 4 专利代理师 王方超 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/12(2006.01) (54)发明名称 一种基于参数化建模的十字形试件优化设 计方法 (57)摘要 本发明公开一种基于参数化建模的十字形 试件优化设计方法， 所述方法包括如下步骤： 采 用多种几何优化形式， 根据要求 设计能在双轴拉 伸中产生较大中心区应力的十字件， 并确定所述 十字件待优化的几何参数及其取值范围； 编写参 数化建模脚本实现十字件的参数化建模过程； 采 用遗传算法对十字件的几何参数进行优化， 通过 促进种群适应度函数值不断增大最终获取中心 区应力最大的十字件， 确定其各形状参数的大 小； 采用中心区最大最小应力之差与最大应力的 比值来检验十字件中心区应力均匀度。 本发明定 义了反映十字件中心区应力水平的适应度函数， 采用了基于二进制编码的遗传算法， 成功得到了 中心区应力较大的最优试件， 该优化程序收敛较 快， 寻优效果较好。 权利要求书1页 说明书6页 附图5页 CN 114462155 A 2022.05.10 CN 114462155 A 1.一种基于参数化建模的十 字形试件优化设计方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤SS1： 采用多种几何优化形式， 根据要求设计能在双轴拉伸中产生中心区应力的十 字件， 并确定所述十 字件待优化的几何参数及其取值范围； 步骤SS2： 编写参数化建模脚本实现所述步骤SS1中涉及的十字件的参数化建模过程， 使得步骤SS1所设计的十字件在 任意形状参数组合下， 都能自动完成有限元分析中的建模、 加载、 计算、 应力分析操作； 步骤SS3： 采用遗传算法对十字件的几何参数进行优化， 其中以十字件形状参数转化成 的二进制数作为染色体， 用十字件中心 区最大应力减去其他区域最大应力作为适应度， 基 于适应度大小筛选种群中的优秀十字件作为下一代种群的父代， 以二进制数之 间随机交换 片段和个别位的变化作为 染色体的交叉与变异， 通过促进种群适应度函数值不断增大最 终 获取中心区应力最大的十 字件， 确定其各 形状参数的大小； 步骤SS4： 采用中心区最大最小应力之差与最大应力的比值来检验十字件中心区应力 均匀度。 2.根据权利要求1所述的一种基于参数化建模的十字形试件优化设计方法， 其特征在 于， 所述步骤SS1具体包括： 根据设计要求， 采用中心减薄、 中心 开孔、 臂角倒角、 臂上减薄或 开缝形式对十字件进 行几何形状设计， 使十字件在双轴拉伸中最大应力尽可能出现在中心 区域。 3.根据权利要求1所述的一种基于参数化建模的十字形试件的优化设计方法， 其特征 在于， 所述 步骤SS3具体包括： 遗传算法中的适应度函数定义如下： 式中， Δσ为某一参数十字件的适应度， 为十字件中心区的最大应力， 为十字件中心区以外的各高应力区域的最大应力。 4.根据权利要求3所述的一种基于参数化建模的十字形试件优化设计方法， 其特征在 于， 其中 为狭缝头部靠近中心 区处的最大应力， 为狭缝尾部远离中心区处的 最大应力， 为臂角倒角处的最大应力。 5.根据权利要求1所述的一种基于参数化建模的十字形试件优化设计方法， 其特征在 于， 所述步骤SS3具体包括： 所述遗传算法中采用轮盘赌法与保留最优个体两种 方法， 以取 得一代种群中适应度较高的十 字件作为下一代种群的父代。 6.根据权利要求1所述的一种基于参数化建模的十字形试件的优化设计方法， 其特征 在于， 所述 步骤SS4具体包括： 对中心区应力均匀度定义如下： 式中， α 为衡量中心区应力均匀度的指标， 为十字件中心区最大应力， 为中心 区最小应力， α 越小则十 字件中心区均匀度越好。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114462155 A 2一种基于参数化建模的十字形 试件优化 设计方法 技术领域 [0001]本发明涉及 一种基于参数化建模的十字形试件优化设计方法， 属于计算机仿真技 术领域。 背景技术 [0002]在实际工程领域， 许多零部件在服役过程中受到多种循环载荷作用， 处于复杂应 力状态， 其 失效形式大多为多轴疲劳失效， 部 分零部件虽然只受单一载荷作用， 但由于含有 凸台、 凹槽、 圆孔、 狭缝等复杂结构形式， 其在局部也会出现多轴应力状态。 为提高工程 实际 中零部件的安全性与可靠性， 需要对其进行多轴疲劳寿命预测与分析。 十字件能有效地模 拟多轴应力状态， 因而广泛地被应用于零部件的材料参数确定和寿命预测分析， 但常规十 字件容易出现臂角处应力大于中心区应力的状况， 导致臂角比中心区更早发生断裂， 使得 试验失效， 从而不能准确有效地模拟构件受载状态。 目前国际上关于十字件形状还没有统 一标准， 也没有相应的设计规范与流程， 这也给十字件的形状设计与参数优化带来了一定 难度。 发明内容 [0003]为得到中心区应力尽可能大且应力分布较均匀的十字件， 需要在设计其形状后对 其进行参数优化， 本发明采用遗传算法优化十字件的几何参数。 遗传算法模拟自然界中物 竞天择、 自然选择 的过程， 能实现多参数自动寻优的功能。 其寻优过程具体如下： 首先对种 群中的个体计算适应度(即优化的目标： 中心区应力水平)， 根据适应度筛选个体作为下一 代种群的父代； 通过父代间染色体(即待优化参数组合)的交叉、 变异产生下一代种群； 通过 促进种群适应度不断提高， 从而最终得到适应度最佳的个体， 因此非常适合用于十字件的 参数优化。 而参数化建模分析可以充当遗传算法与具体十字件应力 分析的桥梁， 通过遗传 算法给出的几何参数计算出遗传算法需要的适应度， 相互配合最终完成十字件的优化设 计。 [0004]本发明的目的在于， 克服现有技术存在的技术缺陷， 解决上述技术问题， 提出一种 基于参数化建模的十字形试件优化设计方法， 实现以中心区应力最大且应力分布较均匀为 目标的十字件几何参数优化， 用于十字件双轴拉伸试验中， 达成中心 区先行破裂的设计目 的， 以获得 更好的试验效果。 [0005]本发明具体采用如下技术方案： 一种基于参数化建模的十字形试件优化设计方 法， 包括如下步骤： [0006]步骤SS1： 采用多种几何优化形式， 根据要求设计能在双轴拉伸中产生较大中心区 应力的十 字件， 并确定所述十 字件待优化的几何参数及其取值范围； [0007]步骤SS2： 编写参数化建模脚本 实现所述步骤SS1中涉及的十字件的参数化建模过 程， 使得步骤SS1所设计的十字件在 任意形状参数组合下， 都能自动完成有限元分析中的建 模、 加载、 计算、 应力分析操作；说　明　书 1/6 页 3 CN 114462155 A 3