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申请/专利权人：北京航空航天大学

摘要：本发明公开了一种基于图像处理的拓扑优化结果几何特征尺寸控制方法，包括：步骤一：构建双尺度拓扑优化模型；步骤二：更新双尺度水平集函数进而驱动跨尺度结构构型更新；步骤三：得到跨尺度结构的边界数量和边界的坐标点；步骤四：基于跨尺度结构的边界的坐标点，分别对宏观构型和细观构型进行量化，得到跨尺度结构的几何特征具体数值；步骤五：调控跨尺度结构的极细组件特征；步骤六：调控跨尺度结构的孔洞特征；步骤七：调控跨尺度结构的特殊角度特征。本发明在水平集框架下基于图像处理技术实现了多种几何特征的精准识别的有效调控，促进了设计制造一体化，有助于提高设计效率和缩短设计周期。

主权项：1.一种基于图像处理的拓扑优化结果几何特征尺寸控制方法，其特征在于，包括：步骤一：面向基于增材制造的跨尺度结构，给定宏观结构设计域、细观单胞设计域、载荷以及位移边界条件，确定宏观和细观层面的设计域与非设计域，构建双尺度拓扑优化模型；构建双尺度拓扑优化模型包括：以宏观结构的体积分数为优化目标，以宏观许用位移和细观体积分数为不等式约束条件，以宏细观有限元平衡方程为等式约束条件，以双尺度水平集函数的径向基函数系数为设计变量，构建双尺度拓扑优化模型；步骤二：对当前迭代过程中的跨尺度结构进行宏细观有限元分析，然后基于形状导数原理计算双尺度拓扑优化模型中目标函数和约束条件关于双尺度水平集函数时间变量的灵敏度，更新双尺度水平集函数进而驱动跨尺度结构构型更新，然后判断更新后的跨尺度结构是否满足拓扑优化的收敛条件，如果满足则得到拓扑优化设计结果，如果不满足则继续进行有限元分析和灵敏度分析并更新设计变量直到满足收敛条件；步骤三：针对双尺度拓扑优化模型，进行图像处理：给定双尺度水平集函数分辨倍数，对双尺度水平集函数进行双线性插值，然后基于图像二值化方法对双尺度水平集函数进行处理获得0-1分布的双尺度水平集函数，进而识别跨尺度结构的宏细观拓扑特征，得到跨尺度结构的边界数量和边界的坐标点；步骤四：基于跨尺度结构的边界的坐标点，以计算不同边界上两点坐标的最小距离作为检测极细组件的方式，以计算同一边界上两点坐标的最大距离或同一边界上点坐标到重心处的距离作为检测极小孔洞的方式，以计算同一边界上任意三点坐标的夹角作为检测特殊角度的方式，分别对宏观构型和细观构型进行量化，得到跨尺度结构的几何特征具体数值；步骤五：调控跨尺度结构的极细组件特征：对于极细组件特征，首先识别半径较大的边界并使其保持不变，对半径较小的边界进行缩放，如果缩放到满足组件尺寸阈值约束时半径较小的边界不存在极小孔洞问题，则完成极细组件调控，如果缩放到满足组件尺寸阈值约束时，半径较小的边界存在极小孔洞问题，则半径较小的边界被删除；步骤六：调控跨尺度结构的孔洞特征：对于极小孔洞特征，首先识别该边界的半径，以该边界的重心为中心对该边界进行缩放，直到新边界满足组件尺寸阈值约束，如果此时与其他边界间的最小距离满足组件尺寸阈值约束，则孔洞调控完成；如果此时与其他边界间的最小距离不满足组件尺寸阈值约束，则该边界删除；步骤七：调控跨尺度结构的特殊角度特征：对于特殊角度特征，如果同一边界上任意三点坐标的三点夹角不满足角度约束，则判断该边界的两个端点间距离是否满足组件尺寸阈值约束，如果大于组件尺寸阈值约束，则在该边界的两条邻边上寻找并添加与边界的对边平行且距离等于距离约束的两个点，并将角的顶点删除；如果小于组件尺寸阈值约束，直接将顶点删除，不添加新的点。

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