[發明專利]考慮懸挑角及最小尺寸約束的自支撐微結構拓撲優化方法

有效

• 申請號: 201810718231.4
• 申請日: 2018-06-29
• 公開（公告）號: CN109002598B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 肖蜜;桂馨;高亮;張嚴;褚晟;李培根
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/10
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;曹葆青

本發明屬于結構優化設計相關技術領域，其公開了一種考慮懸挑角及最小尺寸約束的自支撐微結構拓撲優化方法，該方法包括以下步驟：(1)對微結構的相對單元密度、材料體積分數、材料屬性參數及優化算法參數進行初始化；(2)對所述微結構的相對單元密度進行懸挑角和最小尺寸約束的密度投影，并獲得微結構的位移場；(3)獲得所述微結構的等效彈性張量，并對微結構拓撲優化模型進行敏度分析，進而構建優化準則以更新微結構的相對單元密度；(4)判斷當前的相對單元密度是否滿足迭代收斂條件，若滿足，則輸出最優微結構構型；否則轉至步驟(2)。本發明不依賴于工程經驗，靈活性較高，且確保微結構具有自支撐性的同時還具有較優的宏觀等效性能。

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，涉及一種考慮懸挑角及最小尺寸約束的自支撐微結構拓撲優化方法。

背景技術

增材制造技術的成型原理是“疊層制造”，即通過逐層累加材料的方式成型零件，因此可以實現高度復雜結構的加工成型。但是，在增材制造過程中，依然存在獨特的制造約束，如1.結構的最小尺寸約束，增材制造過程中，不管采用熔融沉積成型工藝、選擇性激光燒結工藝還是選擇性激光熔化工藝，可成型的結構最小尺寸都不可避免地被噴嘴直徑或者激光束的寬度所影響，因此結構的最小特征尺寸不能小于增材制造設備的制造精度，否則包含最小特征尺寸的結構無法制造成型。2.結構的懸挑角約束，在增材制造過程中，模型被軟件切片處理后逐層打印，這就要求切片后的模型其每個部分下方都有材料，否則便會形成“空中樓閣”，造成打印過程中的坍塌現象；“空中樓閣”的結構用懸挑角這一物理量來描述，包含大懸挑角結構的模型在增材制造過程中需進行相關的處理，通常的處理方法是在模型的大懸挑角結構處人工添加支撐結構，這些支撐結構作為模型的一部分被加工成型，并在成型后去除，這樣不僅造成了原料和時間成本的增加，同時后處理去除支撐結構也會損傷模型的表面質量。

目前，國內外學者在該方面做了相關的研究，但大多局限于自支撐宏觀結構拓撲優化，對自支撐微結構拓撲優化的研究，多基于工程經驗，通過設置周期性的隱函數或者樣條函數，啟發式地生成多孔自支撐結構，或者將微結構假定為大小各異的棱形結構或者骨狀結構以實現自支撐設計。這類方法在自支撐結構的設計中加入了過多的人為約束和工程設計經驗，依賴于經驗，且獲得自支撐微結構的宏觀等效性能較差。相應地，本領域存在著發展一種宏觀等效性能較好的自支撐結構拓撲優化方法的技術需求。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種考慮懸挑角及最小尺寸約束的自支撐微結構拓撲優化方法，其基于現有結構拓撲優化的特點，研究及設計了一種不依賴于工程經驗且能夠獲得較優的宏觀等效性能的考慮懸挑角及最小尺寸約束的自支撐微結構拓撲優化方法。所述拓撲優化方法將增材制造的懸挑角和最小尺寸約束引入到微結構拓撲優化中，避免了微結構中出現大懸挑角結構及細小特征尺寸結構，以確保得到的微結構具有自支撐性且易于成型；同時，克服了現有自支撐微結構設計中多基于工程經驗的缺陷，在自支撐微結構優化的同時保證了較優的宏觀等效性能。

為實現上述目的，本發明提供了一種考慮懸挑角及最小尺寸約束的自支撐微結構拓撲優化方法，該方法包括以下步驟：

(1)對微結構的相對單元密度、材料體積分數、材料屬性參數及優化算法參數進行初始化；

(2)對所述微結構的相對單元密度進行懸挑角和最小尺寸約束的密度投影以獲得滿足懸挑角和最小尺寸約束的單元密度場分布；并對所述微結構進行有限元分析以獲得所述微結構的位移場；

(3)基于有限元分析及所述位移場來獲得所述微結構的等效彈性張量，并對微結構拓撲優化模型進行敏度分析以獲得微結構拓撲優化的目標函數及約束條件對相對單元密度的敏度信息，進而構建優化準則以更新微結構的相對單元密度；

(4)判斷當前的相對單元密度是否滿足迭代收斂條件，若滿足，則輸出最優微結構構型；否則轉至步驟(2)。