[發(fā)明專利]基于球單元的可變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610963176.6
• 申請(qǐng)日: 2016-11-04
• 公開（公告）號(hào): CN106649974A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓品連;許得豪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南方科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙)44248
• 代理人: 于標(biāo)

1.一種基于球單元的可變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)建立參數(shù)化多孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，對(duì)不同種類、大小、特征形貌、密度分布、組合方式下的多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析，建立參數(shù)化結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立部件的三維實(shí)體模型，對(duì)其在設(shè)計(jì)要求的工況下進(jìn)行有限元分析，得出部件的應(yīng)力分布與力學(xué)性能相關(guān)的參數(shù)；

(3)對(duì)步驟(2)獲得的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、歸納整理，得到系統(tǒng)性、綜合性的力學(xué)問題和優(yōu)化導(dǎo)向，形成設(shè)計(jì)目標(biāo)；

(4)根據(jù)所得有限元應(yīng)力分析結(jié)果，針對(duì)產(chǎn)品中不同區(qū)域?qū)αW(xué)性能的差異要求，調(diào)整參數(shù)化單元體結(jié)構(gòu)的種類、大小、特征形貌、密度分布、組合方式，構(gòu)建符合力學(xué)性能要求的結(jié)構(gòu)模型；

(5)根據(jù)步驟(4)中形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行基于球單元的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合適的球單元設(shè)計(jì)自由度，將應(yīng)力集中處和需變形部位下填充的球單元不固定連接，設(shè)計(jì)出可變形的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；

(6)對(duì)步驟(5)中設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析和相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證部件是否滿足設(shè)計(jì)需求；

(7)依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有限元分析結(jié)果，轉(zhuǎn)換成可用于增材制造的數(shù)據(jù)格式，采用增材制造方法進(jìn)行成型，即得可變形的有優(yōu)良力學(xué)性能和物理特性的零部件。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述球單元包括球、由球衍生出的球殼、表面含孔洞的球殼以及球的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，基于球單元的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可以在指定的位置填充合理半徑大小的實(shí)心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼或球體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)球單元。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，球單元設(shè)計(jì)自由度包括單元種類和分布特征，單元種類包括實(shí)體球、表面打孔的球殼，分布特征包括球單元三維坐標(biāo)數(shù)學(xué)參數(shù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在所述步驟(1)中，參數(shù)化球單元體是運(yùn)用參數(shù)化建模軟件，將球單元體的特征幾何形狀與尺寸大小用變量參數(shù)的方式來表示，實(shí)現(xiàn)多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)過程，通過改變建模過程中的特征參數(shù)，得到不同種類、大小、特征形貌、密度分布、組合方式下的單元體多孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、重量、力學(xué)性能的精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在步驟(7)中，增材制造方法是指依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)，將材料逐層疊加得到實(shí)體的制造方法。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述增材制造方法包括激光選區(qū)熔化、激光選區(qū)燒結(jié)、激光近凈成形、電子束熔化、熔融沉積制造、立體噴印、光固化成形、分層實(shí)體制造。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在所述步驟(6)中，包括如下步驟：

(61)通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試打印出的部件的基本物理機(jī)械性能；

(62)按照部件在實(shí)際工作中的工況搭建微縮的試驗(yàn)平臺(tái)，從零逐漸增加載荷，在試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)部件進(jìn)行加載試驗(yàn)，采用電阻應(yīng)變片法測(cè)試不同載荷條件下部件的變形分布以及變形量變化情況；

(63)將步驟(61)中測(cè)量的部件的基本物理機(jī)械性能以及基本物理機(jī)械性能種類與步驟(62)中的不同載荷條件作為基本輸入值，采用有限元分析軟件進(jìn)行部件的受力模擬分析；將模擬的變量分析結(jié)果與步驟(62)中實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，符合度大于90％則進(jìn)行下一步，否則返回到(63)調(diào)整基本物理機(jī)械性能種類及載荷條件，再次進(jìn)行模擬分析，直到理論和試驗(yàn)符合度達(dá)到要求；

(64)將步驟(63)中調(diào)整好的載荷條件、基本物理機(jī)械性能種類和的材料基本物理機(jī)械性能作為輸入?yún)?shù)，采用有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出產(chǎn)品的強(qiáng)度，即可推演出相應(yīng)多孔結(jié)構(gòu)的零件在實(shí)際工況下不會(huì)變形過大而失效，能夠承受得住相應(yīng)的載荷。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在所述步驟(61)中，基本物理機(jī)械性能包括：抗拉強(qiáng)度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強(qiáng)度、切線模量和密度。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(62)、(63)、(64)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點(diǎn)和力的分布情況。