[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

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• 申請日: 2020-10-13
• 公開（公告）號: CN112214917B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發(fā)明（設計）人: 李輝;劉勝;申勝男;周劍濤
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: 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

本發(fā)明提供一種多尺度優(yōu)化增材制造基板的方法，建立基板和打印件的幾何模型；設定增材制造時的工藝參數(shù)，確定基板的設計域；設定基板和打印件的材料參數(shù)，基于網(wǎng)格映射法，進行熱力耦合有限元分析，計算得到打印過程中基板上的溫度分布、應力分布和位移分布；將位移分布作為基板的位移邊界條件，建立宏觀拓撲優(yōu)化模型，并基于固體對同性材料懲罰模型，得到宏觀拓撲結(jié)構；進行晶格拓撲優(yōu)化，基于水平集法，計算得到微觀拓撲晶格結(jié)構；將微觀拓撲晶格結(jié)構等間距點陣排列嵌入宏觀拓撲結(jié)構的一定區(qū)域中，得到所需的多尺度優(yōu)化的基板拓撲結(jié)構。本發(fā)明優(yōu)化了基板的體積，更加改善基板的剛度，增強其抵抗變形以及破換的力學性能，從而延長使用壽命。

技術領域

本發(fā)明屬于結(jié)構優(yōu)化設計技術領域，具體涉及一種多尺度優(yōu)化增材制造基板的方法及其基板。

背景技術

增材制造技術突破了傳統(tǒng)的減材成形或材料受迫成形，是一種基于微積分的原理和計算機輔助設計（Computer Aided Design, CAD）技術，首先建立制備零件的CAD模型，再將加工零件的模型進行切片處理，進而將每層零件切片累加形成最終目標零件的技術。在增材制造過程中，由于激光的循環(huán)掃描，打印件和基板經(jīng)受反復的快熱快冷循環(huán)，急劇變化的溫度場和巨大的局部熱梯度導致較大的熱應力。又由于基板和打印件的材料可能為異種材料，更加劇了基板與打印件之間接觸處的應力集中。基板由于這種長時間的應力集中很容易發(fā)生開裂破壞。

拓撲優(yōu)化是一種通過特定的優(yōu)化算法，在給定的設計域及邊界條件下優(yōu)化材料分布，以提升結(jié)構性能。這種基于理論的設計方法相比于經(jīng)驗式設計，更能夠充分發(fā)揮材料與結(jié)構性能。

目前對增材制造基板的改良較少，一般采用更換已經(jīng)發(fā)生應力破壞基板的方式進行制造，這種方法無疑造成巨大的浪費，也帶來了制造不可靠問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種多尺度優(yōu)化增材制造基板的方法及其基板，能夠改善基板的力學性能，延長工作壽命。

本發(fā)明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：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、設定增材制造時的工藝參數(shù)，確定基板的設計域；

S3、設定基板和打印件的材料參數(shù)，對基板和打印件進行網(wǎng)格劃分，將基板和打印件結(jié)構離散為連續(xù)網(wǎng)格單元，以網(wǎng)格單元的密度作為設計變量，基于網(wǎng)格映射法，進行熱力耦合有限元分析，計算得到打印過程中基板上的溫度分布、應力分布和位移分布；

S4、將計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)構剛度最大化為目標函數(shù)、并以體積限制閾值為約束條件的宏觀拓撲優(yōu)化模型，并基于固體對同性材料懲罰模型，引入懲罰因子，進行迭代計算，得到宏觀拓撲結(jié)構；

S5、進行晶格拓撲優(yōu)化，將微觀晶胞簡化為二維結(jié)構，并將二維結(jié)構離散為網(wǎng)格單元，以網(wǎng)格單元密度為設計變量，基于水平集法，結(jié)合最優(yōu)化準則，以剛度最大化為目標，計算得到微觀拓撲晶格結(jié)構；

S6、將微觀拓撲晶格結(jié)構等間距點陣排列嵌入宏觀拓撲結(jié)構的一定區(qū)域中，得到所需的多尺度優(yōu)化的基板拓撲結(jié)構。

按上述方案，所述的S1的幾何模型還進行一定的簡化，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，進行熱力耦合有限元分析。

按上述方案，所述的S2基板的設計域在確定時，預留基板的固定位置和基板上部空間用于承載粉末的預留層，作為非設計域。

按上述方案，所述的S3在進行熱力耦合有限元分析時，進行網(wǎng)格無關化驗證。