[發明專利]基于球單元的亞表面多孔網狀結構的設計方法

在審

• 申請號: 201610966732.5
• 申請日: 2016-11-04
• 公開（公告）號: CN106649977A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 韓品連;何武慶;朱光智;許得豪
• 申請（專利權）人: 南方科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;B33Y50/00
• 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

本發明涉及結構設計技術領域，尤其涉及基于球單元的亞表面多孔網狀結構的設計方法。

背景技術

增材制造，也叫3D打印，原理是將三維的實體的數字模型(CAD文件)離散化成切片模型，再將切片模型轉化為打印頭的行走軌跡，通過打印頭將材料不斷添加到打印件上去，這樣材料就按照打印軌跡不斷地被添加，逐層打印起來，就形成了最終的實體打印件。與傳統制造業的“減材制造技術”不同，3D打印遵從的是加法原則，可以直接將計算機中的設計轉化為模型，直接制造零件或產品，不再需要傳統的刀具、夾具和機床；同時直接將虛擬的數字化實體模型轉變為產品，極大地簡化了生產的流程，降低了材料的生產成本，縮短了產品的設計與開發周期，使得生產任意復雜結構零部件成為可能，也是實現材料微觀組織結構和性能的可設計的重要技術手段。

3D打印耗材包括：塑料、橡膠、金屬、粉末、尼龍、薄膜、樹脂、石蠟、石膏、尼龍絲、鈦合金、陶瓷等不同材料。3D打印技術將使得商品的生產制造進入全新的階段，生產的組織方式也會更加扁平化，而它潛在的對生產的巨大解放，能夠極大提高我們社會生產效率。

球具有優良的力學性能，數學表達精簡，其結構的特殊性，可以將應力集中處的極高應力通過球與球間的接觸分散。

發明內容

本發明提供了一種基于球單元的亞表面多孔網狀結構的設計方法，包括如下步驟：

(1)根據設計要求建立部件的三維實體模型，對其在設計要求的工況下進行有限元分析，得出部件的應力分布等與力學性能相關的參數；

(2)對步驟(1)獲得的力學參數進行數據分析、歸納整理，得到系統性、綜合性的力學問題和優化導向，形成設計目標；

(3)根據步驟(2)中形成的設計目標進行基于球單元的多孔網狀結構設計，選擇合適的球單元設計自由度，設計出亞表面多孔網狀結構；

(4)對步驟(3)中設計出的結構，進行計算機仿真分析和相關測試驗證部件是否滿足設計需求。

作為本發明的進一步改進，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撲結構。

作為本發明的進一步改進，球單元設計自由度包括單元種類和分布特征，單元種類包括實體球、表面打孔的球殼，分布特征包括球單元三維坐標數學參數。

作為本發明的進一步改進，在所述步驟(1)中，根據部件的應力強度要求填充球單元或球單元的拓撲結構，通過在合理的位置填充合理半徑大小的實心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓撲結構，建立球心的三維位置、球心半徑的結構矩陣，設計相應的增材制造技術的結構算法，利用有限元分析，優化內部結構的設計，然后采用合適的材料，基于3D打印技術加工制造出符合應力強度的要求的部件。

作為本發明的進一步改進，在所述步驟(4)中，包括如下步驟：

(41)通過常規實驗測試3D打印出的產品的基本物理機械性能；

(42)按照部件在實際工作中的工況搭建微縮的試驗平臺，從零逐漸增加載荷，在試驗平臺上對產品進行加載試驗，采用電阻應變片法測試不同載荷條件下部件的變形分布以及變形量變化情況；

(43)將步驟(41)中測量的部件的基本物理機械性能以及基本物理機械性能種類與步驟(42)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行產品的受力模擬分析；將模擬的變量分析結果與步驟(42)中實測結果進行對照，符合度大于90％則進行下一步，否則返回到(43)調整基本物理機械性能種類及載荷條件，再次進行模擬分析，直到理論和試驗符合度達到要求；

(44)將步驟(43)中調整好的載荷條件、基本物理機械性能種類和(41)中的材料基本物理機械性能作為輸入參數，采用有限元分析軟件進行產品受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出產品的強度，即可推演出相應產品在實際工況下不會變形過大而失效，能夠承受得住相應的載荷。

作為本發明的進一步改進，在所述步驟(41)中，基本物理機械性能包括：抗拉強度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強度、切線模量和密度。

作為本發明的進一步改進，步驟(42)、(43)、(44)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點和力的分布情況。

作為本發明的進一步改進，將改進的內部結構設計建立相應的球心的三維位置、球心半徑的結構矩陣，設計出相應的結構算法，利用3D打印技術進行量化生產。