[發明專利]一種適用于增材制造的自支撐網狀結構拓撲優化設計方法

有效

• 申請號: 201710199690.1
• 申請日: 2017-03-30
• 公開（公告）號: CN107025340B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 肖蜜;莊榮宇;高亮;李好
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 曹葆青,李智

技術領域

本發明屬于結構優化設計相關技術領域，更具體地，涉及一種適用于增材制造的自支撐網狀結構拓撲優化設計方法。

背景技術

增材制造系統中，支撐生成技術是其中的關鍵技術，它能約束零件的變形，并使零件得以順利制造，研究的意義非常重大。但是工藝支撐的結構設計一直是增材制造技術發展的瓶頸，國內外已經在這方面做了一些研究，但解決方案并不理想，如設計過程繁瑣，對設備操作者的要求較高。如一般市面上的3D打印機打印時以絲狀供料，材料在噴頭內被加熱融化，噴頭沿零件界面輪廓和填充軌跡運動，同時將融化的材料擠出，材料迅速冷卻凝固，并與下方的模型(或者打印底板)融合構成整體模型的形狀。打印機在打印底板上，從三維物體模型的底部開始，一層一層連續地打印至頂部，由于3D打印機打印原理類似于簡單的“堆積木”，在打印物體模型中的懸空部位時，被擠出的塑料絲懸在空中而無法融合。用戶需要在切片前對物體模型懸空部位下方添加支撐結構，這些支撐結構作為物體模型的一部分被打印機打印，這樣在打印懸空部位時塑料絲能夠與下方的支撐結構凝結。支撐結構在打印結束后需要被人為剝除，這樣會對模型表面造成損傷，耗材較多，費時較長，且耗費較多的人力，成本較高，不利于推廣應用。

當然，增材制造成型過程中，當零件懸空部分的特征尺寸很小時，也可以不添加支撐，利用材料本身的粘性特性成型，這為采用網狀結構來實現增材制造過程中結構的自支撐提供了可行性。目前，對網狀結構的研究主要有兩種方法：一種是將網狀結構看作桁架，利用離散體結構拓撲優化中的基結構法設計網狀結構，此方法靈活性較差，不適用于連續體結構的拓撲優化；另一種是基于生產經驗，通過設置周期性的隱函數或者樣條函數，啟發式地給出網狀結構的設計，這種方法局限性較大，靈活性較低，對經驗要求較高，質量不穩定。相應地，本領域存在著發展一種能夠用于連續體結構且靈活性較高的自支撐網狀結構拓撲優化設計方法的技術需求。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種適用于增材制造的自支撐網狀結構拓撲優化設計方法，其采用了材料/結構一體化多尺度拓撲優化模型，其包含了宏觀材料布局優化與細觀微結構拓撲優化，避免了支撐結構的添加，節約了耗材，降低了成本，提高了結構表面質量；此外，所述自支撐網狀結構拓撲優化設計方法可適用于連續體結構，提高了靈活性，適用范圍較廣；此外，無需依靠經驗，簡單易于實行。

為實現上述目的，本發明提供了一種適用于增材制造的自支撐網狀結構拓撲優化設計方法，其包括以下步驟：

步驟一，利用SIMP材料密度-剛度差值模型，獲取[0，1]之間不同層次實體材料的密度分布，同時得到宏觀材料布局形式及宏觀位移場，步驟一包括以下子步驟：

(11)基于SIMP材料密度-剛度插值模型，對宏觀材料布局的相對單元密度、材料體分比、優化算法參數進行初始化；

(12)對宏觀材料布局進行有限元分析，以獲得宏觀結構整體位移場U；

(13)計算宏觀結構整體剛度，并將所述宏觀結構整體剛度作為目標函數值，優化目標為使宏觀結構整體剛度最大化(即宏觀結構柔度最小化)，約束條件為材料使用量；

(14)計算目標函數及體積約束對設計變量的敏度；

(15)采用計算獲得的敏度構建優化準則，并求解宏觀結構整體剛度的優化模型，以更新宏觀結構有限單元密度設計變量；

(16)判斷目標函數是否滿足收斂條件，若滿足收斂條件，則輸出最后的宏觀材料布局形式以及當前的宏觀位移場U，否則轉至步驟(12)；

步驟二，構建基于參數化水平集方法的優化模型，在宏觀材料布局優化的基礎上，針對不同的中間密度單元進行微結構構型拓撲優化，并輸出最優細觀微結構構型。

進一步地，步驟二包括以下子步驟：

(21)基于獲得的宏觀材料布局形式及宏觀位移場U，對各子優化問題模型、水平集函數及各微觀結構單胞的有限元模型進行初始化；

(22)根據細觀微結構單胞拓撲優化模型并行地進行各細觀子問題微結構拓撲優化；

(23)利用單胞對應的水平集函數來計算微結構等效彈性張量及微結構所對應的單元剛度矩陣；

(24)計算目標函數及約束條件對設計變量的敏度；

(25)采用獲得的敏度構建優化準則，并求解細觀微結構單胞拓撲優化模型，根據求解結果以更新細觀微結構的設計變量，同時更新水平集函數值及優化目標函數值；