[發明專利]一種考慮增材制造打印方向的自支撐結構優化設計方法

有效

• 申請號: 202010104421.4
• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN111319268B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 張衛紅;崔清清;朱繼宏;周璐
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B29C64/40
• 分類號: B29C64/40;B29C64/393;G06F30/23;B33Y50/02
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發明提出了一種考慮增材制造打印方向的自支撐結構拓撲優化設計方法，在設計域內布置一定數目的孔洞特征或實體特征，通過特征的移動、變形、相交和融合等行為來驅動結構的拓撲布局演變。在演變過程中，識別位于懸空部分的結構邊界，對不滿足角度條件的邊界，量化其偏離程度并進行約束。本發明可以識別不規則邊界和內部非設計域孔洞等，實現復雜結構的自支撐設計，適用于復雜的工程實際。此外，本發明適用于任意孔洞特征或實體特征的自支撐結構設計，并進一步可以對結構拓撲和打印方向同步優化，獲得最優打印方向下的自支撐結構。

技術領域

本發明涉及結構優化技術領域，特別涉及一種考慮增材制造打印方向的自支撐結構優化設計方法。

背景技術

增材制造提供了一種逐層堆疊的方式，直接從原材料構造具有復雜幾何結構的物體。對于增材制造常見的熔融沉積成型、光固化立體成型和激光選區熔化等成型方式，打印過程中需在結構懸空部分添加額外的支撐以防止變形和塌陷，打印完成后手動去除支撐得到最終結構，此外不同打印方向所需的支撐體積不同。這些支撐既增加了材料和人力的消耗，也嚴重破壞了原打印結構的表面質量，影響表面完整性。因此在設計階段充分考慮結構的自支撐需求，并選擇最有利于結構剛度的打印方向具有重要的工程應用價值。

文獻“Guo X,Zhou J,Zhang W,et al.Self-supporting structure design inadditive manufacturing through explicit topology optimization[J].ComputerMethods in Applied Mechanics and Engineering,2017,323:27-63.”公開了一種考慮打印方向自支撐結構的設計方法，分別利用可移動變形組件和可移動變形孔洞實現自支撐設計。通過約束可移動變形組件的角度和打印基準面的角度之和滿足角度條件，并引入非線性約束避免V形區等特殊情況，得到最優打印方向下的可移動變形組件的自支撐結構。另一方面限制可移動變形孔洞懸空部分控制點的相對位置，同時不允許孔洞相交產生V形區，得到固定打印方向下的可移動變形孔洞的自支撐結構。

該文獻提出的方法雖然可以得到自支撐結構，但無法解決不規則設計域和內含非設計域孔洞等特殊問題，因而難以應用于復雜的工程實際。此外，該方法僅提出了針對可移動變形組件的可變打印方向下自支撐結構的優化，無法應用于對可移動變形孔洞打印方向的優化。

發明內容

為了克服現有自支撐結構的優化設計方法通用性和實用性差的不足，本發明提出了一種考慮增材制造打印方向的自支撐結構拓撲優化設計方法。在設計域內布置一定數目的孔洞特征或實體特征，通過特征的移動、變形、相交和融合等行為來驅動結構的拓撲布局演變。在演變過程中，識別位于懸空部分的結構邊界，對不滿足角度條件的邊界，量化其偏離程度并進行約束。此外，本發明還能夠優選引入打印方向作為設計變量，進一步的實現結構拓撲和打印方向的同步優化。

相比背景技術的設計方法，本發明可以識別不規則邊界和內部非設計域孔洞等，實現復雜結構的自支撐設計，適用于復雜的工程實際。此外，本發明適用于任意孔洞特征或實體特征的自支撐結構設計，并進一步可以對結構拓撲和打印方向同步優化，獲得最優打印方向下的自支撐結構。

本發明的技術方案為：

所述一種考慮增材制造打印方向的自支撐結構拓撲優化設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：根據待增材制造的零件設計約束要求，構建設計域Ω；設計域中采用整體坐標系，坐標系方向沿水平和豎直方向；在設計域中初始分布m個特征，并給每個特征的設計變量賦初始值，從而得到零件結構的初始拓撲構型；所述特征為實體特征和/或孔洞特征；

步驟2：根據KS函數