[發(fā)明專利]一種考慮增材制造打印方向的自支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010104421.4
• 申請(qǐng)日: 2020-02-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111319268B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張衛(wèi)紅;崔清清;朱繼宏;周璐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C64/40
• 分類號(hào): B29C64/40;B29C64/393;G06F30/23;B33Y50/02
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 陳星

1.一種考慮增材制造打印方向的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)待增材制造的零件設(shè)計(jì)約束要求，構(gòu)建設(shè)計(jì)域Ω；設(shè)計(jì)域中采用整體坐標(biāo)系，坐標(biāo)系方向沿水平和豎直方向；在設(shè)計(jì)域中初始分布m個(gè)特征，并給每個(gè)特征的設(shè)計(jì)變量賦初始值，從而得到零件結(jié)構(gòu)的初始拓?fù)錁?gòu)型；所述特征為實(shí)體特征和/或孔洞特征；

步驟2：根據(jù)KS函數(shù)

計(jì)算零件結(jié)構(gòu)的整體拓?fù)渌郊瘮?shù)Φ，其中p為KS函數(shù)的參數(shù)，φ_i為第i個(gè)特征的水平集函數(shù)，括號(hào)中的正號(hào)代表實(shí)體特征，負(fù)號(hào)代表孔洞特征；

步驟3：確定步驟2得到的整體拓?fù)渌郊瘮?shù)Φ中Φ＝0處所表示的結(jié)構(gòu)邊界在結(jié)構(gòu)邊界中找出法向與打印方向夾角大于90°+β₀的邊界節(jié)點(diǎn)，并組成集合Λ，所述打印方向指豎直向上方向，β₀為臨界懸空角；對(duì)于集合Λ中的邊界節(jié)點(diǎn)，利用公式

計(jì)算面積P_A，其中

w＝|Δx|tan(β₀)-|Δy|

x＝(x,y)為邊界節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)向量，Δx與Δy表示當(dāng)前邊界節(jié)點(diǎn)與相鄰下一個(gè)要處理的邊界節(jié)點(diǎn)在x和y方向上的坐標(biāo)差；當(dāng)x_i＝(x_i,y_i)為當(dāng)前邊界節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向量，x_i+1＝(x_i+1,y_i+1)為相鄰下一個(gè)處理的邊界節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向量，則Δx_i+1＝x_i+1-x_i，Δy_i+1＝y(tǒng)_i+1-y_i；

步驟4：找出集合Λ中的所有頂點(diǎn)和凹點(diǎn)；對(duì)于每個(gè)凹點(diǎn)，找出與凹點(diǎn)相鄰的兩個(gè)頂點(diǎn)，并組成三角形；計(jì)算得到的所有三角形面積和V_A；

步驟5：建立拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題為：

Min J＝F^TU

其中J、A和表示零件結(jié)構(gòu)的柔順度，總體積以及最大體積約束；K、F和U分別表示零件結(jié)構(gòu)的總體剛度矩陣，總體載荷向量和位移向量；H指Heaviside函數(shù)；ε₁和ε₂分別為設(shè)定的極小值約束，d_i、和d_i為設(shè)計(jì)變量及設(shè)定的設(shè)計(jì)變量上限和設(shè)計(jì)變量下限；設(shè)計(jì)變量作為優(yōu)化變量；

步驟6：對(duì)步驟5建立的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)的優(yōu)化結(jié)果。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種考慮增材制造打印方向的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟1中采用的特征為多邊形孔洞特征、超橢圓實(shí)體特征或CBS孔洞特征。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種考慮增材制造打印方向的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟1中，采用多邊形孔洞特征的設(shè)計(jì)變量包括中心坐標(biāo)以及中心到多邊形各頂點(diǎn)或各邊的距離。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種考慮增材制造打印方向的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟2中KS函數(shù)參數(shù)p0，表示進(jìn)行布爾并運(yùn)算。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種考慮增材制造打印方向的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟3中利用MATLAB的CONTOURF函數(shù)對(duì)步驟2得到的整體拓?fù)渌郊瘮?shù)Φ進(jìn)行求解，得到結(jié)構(gòu)邊界

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種考慮增材制造打印方向的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟3中臨界懸空角β₀根據(jù)打印設(shè)備和材料確定，取值為40°-50°。