[發(fā)明專利]用于解決構件應力集中的亞表面細網結構設計方法

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• 申請日: 2016-11-04
• 公開（公告）號: CN106599348A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設計）人: 韓品連;徐康;彭文定
• 申請（專利權）人: 南方科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙)44248
• 代理人: 于標

技術領域

本發(fā)明涉及產品設計技術領域，尤其涉及用于解決構件應力集中的亞表面細網結構設計方法。

背景技術

現(xiàn)今工業(yè)工程中普遍存在構件由于工況應力集中，導致壽命銳減的情況。其設計部分盲目追求輕量化或高強度，更多的由于外部形狀的固定，使得集中問題通過常規(guī)結構設計難以解決。

發(fā)明內容

本發(fā)明提供了一種用于解決構件應力集中的亞表面細網結構設計方法，包括如下步驟：

（1）獲取實體模型和工況，通過分析獲取應力集中問題，得到作用域、應力集中系數(shù)、以及對于材料的損傷程度的物理性參數(shù)；

（2）根據(jù)步驟（1）獲取的工況和應力集中問題，對于應力集中已接近或超過材料承受臨界的，或應力集中系數(shù)極高的問題，其會快速損傷構件，應避開強作用區(qū)域，在周圍區(qū)域以由計算和實驗獲得的規(guī)律分布基于球單元的亞表面細網結構，使應力分散出集中位置；對于應力集中但低于材料承受臨界的問題，其會在長期積累中損傷構件，在該區(qū)域及周邊進行亞表面設計，以避免出現(xiàn)應力集中點。

作為本發(fā)明的進一步改進，該亞表面細網結構設計方法還包括：

（3）對構件進行應力分布測試；

（4）重復步驟（2）與步驟（3），以不斷優(yōu)化設計方案，在積累一定設計實例之后，通過歸納總結建立關于應力集中問題的亞表面細網結構設計庫。

作為本發(fā)明的進一步改進，在步驟（3）中，測試方法包括計算機數(shù)值分析或光彈性實體測試。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述球單元包括球殼、多孔球殼、實心球體。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過亞表面細網結構設計，尤其可以解決外形基本定型的大型機械構件中出現(xiàn)的應力集中問題，同時也實現(xiàn)了在亞表面層面的輕量化設計。其可以既可應用于航空航天等領域的對強度、輕量等有極高要求的大型機械構件當中，也可以應用于精密加工等領域的精密零件結構設計中。

具體實施方式

本發(fā)明公開了一種用于解決構件應力集中的亞表面細網結構設計方法，包括如下步驟：

（1）獲取實體模型和工況，得到有限元分析結果，通過分析獲取應力集中問題，得到作用域、應力集中系數(shù)、以及對于材料的損傷程度的物理性參數(shù)；

（2）根據(jù)步驟（1）獲取的工況和應力集中問題，對于應力集中已接近或超過材料承受臨界的，或應力集中系數(shù)極高的問題，其會快速損傷構件，應避開強作用區(qū)域，在周圍區(qū)域以由計算和實驗獲得的規(guī)律分布基于球單元的亞表面細網結構，使應力分散出集中位置；對于應力集中但低于材料承受臨界的問題，其會在長期積累中損傷構件，在該區(qū)域及周邊進行亞表面設計，以避免出現(xiàn)應力集中點；

（3）對構件進行應力分布測試；

（4）重復步驟（2）與步驟（3），以不斷優(yōu)化設計方案，在積累一定設計實例之后，通過歸納總結建立關于應力集中問題的亞表面細網結構設計庫，以求對相關領域的設計進行指導。

在步驟（3）中，測試方法包括計算機數(shù)值分析或光彈性實體測試，對光彈性實體測試可結合增材制造技術，用3D打印材料制作比例模型，應用上述方法，進行應力分布測試。

所述球單元包括球殼、多孔球殼、實心球體。

亞表面球單元結構雖然在設計表達上十分簡單，但其仿生等的結構使得其具備優(yōu)良的性能，而且增材制造技術的發(fā)展為其工業(yè)制造鋪平道路。

增材制造技術的原理是，將三維的實體的數(shù)字模型離散化成切片模型，通過逐層覆蓋原材料，逐漸堆疊，最終完成實體打印。其打印材料多樣，包括金屬粉末、樹脂等。增材制造技術具有可簡化工業(yè)生產流程、可節(jié)約原材料、可完成復雜實體制造等優(yōu)點，極大減少了設計限制，還可以和傳統(tǒng)減材制造結合，提升工業(yè)效能。

本發(fā)明公開了一種固定構件外觀結構，通過構件實體部分的亞表面球單元結構設計，解決構件工況下產生的應力集中問題的方法。方法步驟主要包括： 獲取實體工況問題；在應力集中區(qū)域通過多維度分析，進行基于球單元的亞表面細網結構設計；不斷測試和改進設計方案，并且完善成為一個相關問題的系統(tǒng)性設計庫。

本方法通過亞表面細網結構設計，尤其可以解決外形基本定型的大型機械構件中出現(xiàn)的應力集中問題，同時也實現(xiàn)了在亞表面層面的輕量化設計。其可以既可應用于航空航天等領域的對強度、輕量等有極高要求的大型機械構件當中，也可以應用于精密加工等領域的精密零件結構設計中。

以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。