[發(fā)明專利]一種多尺度優(yōu)化增材制造基板的方法及其基板

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011090219.7
• 申請日: 2020-10-13
• 公開（公告）號(hào): CN112214917B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李輝;劉勝;申勝男;周劍濤
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王丹

1.一種多尺度優(yōu)化增材制造基板的方法，其特征在于：本方法包括以下步驟：

S1、建立基板和打印件的幾何模型；

S2、設(shè)定增材制造時(shí)的工藝參數(shù)，確定基板的設(shè)計(jì)域；

S3、設(shè)定基板和打印件的材料參數(shù)，對(duì)基板和打印件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將基板和打印件結(jié)構(gòu)離散為連續(xù)網(wǎng)格單元，以網(wǎng)格單元的密度作為設(shè)計(jì)變量，基于網(wǎng)格映射法，進(jìn)行熱力耦合有限元分析，計(jì)算得到打印過程中基板上的溫度分布、應(yīng)力分布和位移分布；

S4、將計(jì)算得到的基板上的位移分布作為基板的位移邊界條件，建立以結(jié)構(gòu)剛度最大化為目標(biāo)函數(shù)、并以體積限制閾值為約束條件的宏觀拓?fù)鋬?yōu)化模型，并基于固體對(duì)同性材料懲罰模型，引入懲罰因子，進(jìn)行迭代計(jì)算，得到宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

S5、進(jìn)行晶格拓?fù)鋬?yōu)化，將微觀晶胞簡化為二維結(jié)構(gòu)，并將二維結(jié)構(gòu)離散為網(wǎng)格單元，以網(wǎng)格單元密度為設(shè)計(jì)變量，基于水平集法，結(jié)合最優(yōu)化準(zhǔn)則，以剛度最大化為目標(biāo)，計(jì)算得到微觀拓?fù)渚Ц窠Y(jié)構(gòu)；

S6、將微觀拓?fù)渚Ц窠Y(jié)構(gòu)等間距點(diǎn)陣排列嵌入宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一定區(qū)域中，得到所需的多尺度優(yōu)化的基板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的S1的幾何模型還進(jìn)行一定的簡化，將激光能量簡化為空間上呈高斯分布的體熱源，先進(jìn)行熱分析，得到激光加熱過程中基板上的溫度分布，再將基板上的溫度作為熱邊界載荷，進(jìn)行熱力耦合有限元分析。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的S2基板的設(shè)計(jì)域在確定時(shí)，預(yù)留基板的固定位置和基板上部空間用于承載粉末的預(yù)留層，作為非設(shè)計(jì)域。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的S3在進(jìn)行熱力耦合有限元分析時(shí)，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)化驗(yàn)證。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的S4在建立宏觀拓?fù)鋬?yōu)化模型時(shí)，設(shè)計(jì)域內(nèi)的材料填充率在[0,1]之間變化，填充率為0表示無材料，1表示實(shí)心材料；并設(shè)定一個(gè)閾值，低于此閾值設(shè)置為0，高于此閾值設(shè)置為1。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的S5在晶格拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，設(shè)置一個(gè)拉格朗日算子以防止優(yōu)化結(jié)構(gòu)陷入局部最優(yōu)解。

7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于：所述的S2中的工藝參數(shù)包括激光功率，激光速率，光斑直徑和激光掃描方式。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的S6在將微觀拓?fù)渚Ц窠Y(jié)構(gòu)等間距點(diǎn)陣排列嵌入宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，加入制造工藝約束，以滿足可制造性；宏觀拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行光順，以得到連續(xù)的邊界。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：本方法還包括S7、基于有限元法，使用S3的工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，比較優(yōu)化前后基板的變形，以驗(yàn)證基板剛度的優(yōu)化。

10.一種基板，其特征在于：采用權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的方法設(shè)計(jì)得到。