[發明專利]基于沖壓工藝的多材料多組件拓撲優化方法

有效

• 申請號: 202010964987.4
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112069714B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 周浩;張君媛;王世航;溫占宇;李兵;王懷玉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理有限公司 11369
• 代理人: 劉小嬌

本發明公開了一種基于沖壓工藝的多材料多組件拓撲優化方法，步驟一、獲取待優化構件的不同材料的預設組件個數，預設材料個數，各個材料的密度和各個不同材料之間的鉸接方式；步驟二、計算最小包圍矩形時采用組件材料比重分數進行加權：步驟三、計算質量分數M；步驟四、計算結構的應變能：以結構應變能為優化目標，求取結構的應變能的最小時的結構和材料分布。

技術領域

本發明涉及一種工程結構優化設計領域的設計方法，更確切地說，本發明涉及一種基于沖壓工藝的多材料多組件拓撲優化方法。

背景技術

拓撲優化技術作為一種面向輕量化設計的結構優化方法，自從20世紀80年代提出以來已取得了長足的進步并廣泛應用于實際生產制造之中。拓撲優化技術能夠在指定的載荷作用、邊界條件及約束條件下尋求宏觀結構或材料微結構的材料最佳布局，從而使其某種性能指標達到最優。在實際工程應用中，拓撲優化技術能夠突破工程師主觀經驗限制，為產品設計提供全新的思路，從而提升設計方案的性能。同時在產品設計開發初期，拓撲優化技術能夠在多個相互制約的設計條件中找到最佳平衡點，相比于傳統的試錯法設計流程，極大地簡化了設計流程，從而實現快速高效的產品結構設計。

拓撲優化方案較差的可制造性一直是制約其廣泛應用的因素之一。借助拓撲優化技術的設計方案往往表現出比較差的工藝性與可制造性，在這種情況下將拓撲優化方案轉化成工藝可行性方案往往是十分困難的。同時基于制造工藝性的后期方案改進又可能會打破原有拓撲方案所提供的性能與成本之間的平衡，導致實際設計與初始設計偏差過大而不再是最優解。因此，在拓撲優化過程中兼顧考慮制造約束將會大大提高所得到的拓撲優化方案的工藝性。

實際生產中由于受到加工工藝的限制，實際結構往往表現為由多個組件裝配而成的結構形式。同時隨著加工工藝和制造技術的不斷發展，在結構中采用先進連接工藝很大程度上提升了不同材料間的連接能力，使多材料型構件成為可能并逐漸發展成熟，多材料型構件逐漸走入人們的視野，成為未來工業領域發展的趨勢之一。但目前拓撲優化領域的相關研究以及商業化軟件的應用大多在單組件單材料的環境下進行，因此實現考慮制造約束的多材料多組件拓撲優化具有重要的意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有拓撲優化技術得到的單一材料單組件的結構形式，采用了多材料多組件，提供了一種基于沖壓工藝的多材料多組件拓撲優化方法。

一種基于沖壓工藝的多材料多組件拓撲優化方法，包括：

步驟一、獲取待優化構件的不同材料的預設組件個數，預設材料個數，各個材料的密度和各個不同材料之間的鉸接方式；

步驟二、計算最小包圍矩形時采用組件材料比重分數進行加權：

式中：Area^(k)(ρ,m)是第l種材料第k個組件的模具的最小包圍矩形面積,最小包圍矩形是組件的最小外接矩形；α^*是設計所允許的最小包圍矩形面積的最大值；代表材料l在組件k中占的比重；ρ代表結構單元的密度，m為組件比重分數；

步驟三、質量分數M的計算表達式如下:

其中，rho_l表示為第l種材料的密度；N₀為設計域內結構單元個數，L為預設材料個數，K為預設組件個數；ρ_i為第i個結構單元的單元密度；組件比重分數m_i，每個元素對應該結構單元在第k個組件中的比重；

步驟四、結構的應變能計算公式如下：

其中，u_i為第i個單元節點位移矩陣；k_i為第i個單元的剛度矩陣；N為設計域內單元個數；o為材料比重分數；ρ代表單元的密度；