[發(fā)明專利]一種三維自支撐結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011075578.5
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112233242B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張衛(wèi)紅;周璐;高彤
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: G06T17/10
• 分類號: G06T17/10
• 代理公司: 西北工業(yè)大學專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

本發(fā)明涉及一種三維自支撐結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法，屬于制造技術(shù)領(lǐng)域。在設(shè)計區(qū)域內(nèi)布置一定數(shù)目的多面體實體特征，通過多面體的移動、變形、融合、縮小和膨脹等行為來驅(qū)動結(jié)構(gòu)的拓撲布局演變。多面體特征的縱向橫截面是多邊形，控制每個截面多邊形頂點之間的相對位置，確保多面體表面面片的傾斜角大于臨界角度值，進而實現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)的自支撐。本發(fā)明為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自支撐所用設(shè)計變量較少，且產(chǎn)生了清晰的結(jié)構(gòu)邊界、避免中間密度單元的出現(xiàn)，有利于工程設(shè)計人員進行模型重構(gòu)等后處理過程甚至無需后處理直接應用到工程實際。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三維結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計方法，特別涉及一種增材制造中三維自支撐結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)

增材制造是一種將材料逐層堆積制造實體結(jié)構(gòu)的新興制造技術(shù)。與傳統(tǒng)減材和成型制造技術(shù)(機械加工和鑄造)相比，增材制造具有制造周期短、復雜結(jié)構(gòu)制造成本低、個性化設(shè)計適應能力強、創(chuàng)新創(chuàng)造能力提升空間大等特點。然而增材制造并非完全自由制造，對于模型中存在的傾斜角較小的懸空部位，如熔融沉積成型、光固化成型、激光選區(qū)熔化成型等增材制造技術(shù)需要添加額外的支撐避免這些部位出現(xiàn)塌陷、翹曲和變形。支撐的使用不僅增加了原材料和制造時長，而且去除支撐的后處理過程降低了結(jié)構(gòu)表面光潔度。因此三維自支撐結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計具有非常重要的工程應用價值，設(shè)計的結(jié)構(gòu)確保優(yōu)異性能的同時實現(xiàn)無支撐完好打印。

文獻“M.Langelaar.Topology optimization of 3D self-supportingstructures for additive manufacturing.Additive Manufacturing,2016,12:60-70.”公開了一種三維自支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)型的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法。文獻以密度法為基礎(chǔ)，單元密度作為設(shè)計變量，采用單元分層的思想，要求任意一個單元的密度不得大于其下層支撐區(qū)域內(nèi)單元密度的最大值，確保每個單元下方都有足夠的材料支撐，從而避免額外支撐的添加。于是在拓撲優(yōu)化每一步迭代中，需自下而上逐層遍歷單元，并通過判斷單元之間密度變量的數(shù)值關(guān)系分配材料，進而得到結(jié)構(gòu)的整體拓撲布局。

文獻提出的方法雖然可以獲得三維自支撐結(jié)構(gòu)，但是為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自支撐，設(shè)計變量數(shù)目多、計算量大、局限于規(guī)則設(shè)計域都是不可忽視的問題。此外，中間單元的存在使優(yōu)化結(jié)果邊界不明確，且邊界呈鋸齒狀，需進行多次重構(gòu)分析，難以應用于工程實際。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了彌補現(xiàn)有三維自支撐結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化方法設(shè)計變量數(shù)目多、局限于規(guī)則設(shè)計域且優(yōu)化設(shè)計結(jié)果邊界模糊的不足，本發(fā)明提供了一種基于多面體實體特征的三維自支撐結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計方法。在設(shè)計區(qū)域內(nèi)布置一定數(shù)目的多面體實體特征，通過多面體的移動、變形、融合、縮小和膨脹等行為來驅(qū)動結(jié)構(gòu)的拓撲布局演變。多面體特征的縱向橫截面是多邊形，控制每個截面多邊形頂點之間的相對位置，確保多面體表面面片的傾斜角大于臨界角度值，進而實現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)的自支撐。

技術(shù)方案

一種三維自支撐結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：定義設(shè)計變量：對于一個由面片圍成的多面體特征，包含n個縱向多邊形截面，且每個截面多邊形的邊數(shù)為m，對于每個截面多邊形，要求任意兩相鄰頂點和中心點連線的夾角相等；針對多邊形中每一條屬于懸空區(qū)域的邊，定義邊所對應的兩頂點到中心點的距離的比例為設(shè)計變量，并計算當邊與基準面的夾角達到臨界懸空角時比值，稱之為臨界比值；限定比例設(shè)計變量的最大上限為臨界比值，通過這種方法實現(xiàn)對每個縱向截面多邊形的角度控制；不屬于懸空區(qū)域的多邊形的邊，對應頂點到中心點的距離直接作為設(shè)計變量；此外，設(shè)計變量還包括多面體的中心點坐標，用來控制多面體的平移；

步驟2：在區(qū)域Ω中初始分布l個多面體實體特征，并按照位置分層，賦予設(shè)計變量初始值；