[發明專利]一種面向增材制造的殼體與填充結構協同優化設計方法

有效

• 申請號: 202110049456.7
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112699511B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 周明東;陸宇帆;劉義暢;魏創
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

1.一種面向增材制造的殼體與填充結構協同優化設計方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：參數初始化；

根據結構的外形，定義所述結構的設計域與非設計域；

基于所述結構的實際工況，確定載荷及邊界條件，建立有限元模型；

初始化優化參數及設計變量μ與υ；

步驟2：構建殼填充結構密度及剛度的參數化模型；

基于密度過濾公式及Heaviside投影格式，運用兩步過濾法將所述設計變量μ轉化為基區和殼體τ；依次使用密度過濾與投影法，將所述設計變量υ轉化為填充結構ψ；根據所述基區所述殼體τ和所述填充結構ψ，構建單元密度的統一表達式采用SIMP方法，建立單元密度及剛度的參數化模型，將單元密度插值集成于有限元分析中；

步驟3：構建增材制造懸掛約束模型和局部體積約束模型；

構建輔助場χ，所述輔助場χ被配置為能夠使得所述結構的外部處于被完好支撐的狀態；對所述輔助場χ施加增材制造過濾器AM filter后獲得自支撐輔助場將所述輔助場χ與自支撐輔助場的差作為懸掛區域并計算獲得懸掛體積分數，根據所述懸掛區域和所述懸掛體積分數構建懸掛體積約束Τ；

所述輔助場χ的構建公式如下：

其中，e∈Ω；

所述懸掛體積約束Τ的構建公式如下：

其中，V_e為單元體積，I為單位矩陣，ε_r為容差；

以所述結構各單元為中心，計算各單元圓形鄰域內的局部體積分數，以所述局部體積分數的p范數為基礎，構建局部體積約束l；所述局部體積分數被配置為各單元圓形鄰域內所有單元密度之和與單元數目之比；

所述局部體積約束l構建如下：

步驟3.1：計算以各單元為中心的圓形鄰域內所有單元密度之和與單元數目之比：

步驟3.2：所述局部體積約束l如下：

其中，N為設計域總單元數目，的p范數參數設置為p_l＝8，α為歸一系數；

步驟4：構建拓撲優化建模，確定目標函數及約束函數；

采用考慮中間設計場與腐蝕設計場的兩場格式，建立面向增材制造的殼體與填充結構協同拓撲優化模型；

通過所述兩場格式控制所述基區和所述填充結構ψ的最小尺寸，避免優化結果出現不具備實際制造意義的特征；

以最小化中間設計與腐蝕設計的加權柔度c為目標函數，保證結構整體體積約束G、所述懸掛體積約束Τ、所述局部體積約束l滿足限制條件；

所述整體體積約束G的公式如下：

其中，為近似密度；

所述殼體與填充結構協同拓撲優化模型構建如下：

其中，c是綜合中間設計與腐蝕設計的加權柔度，ω為權重因子，位移響應由求解KU＝F獲得；

步驟5：求解有限元模型，獲得設計響應；

基于當前優化迭代步下結構密度信息，分別求解中間設計與腐蝕設計的有限元模型，獲得結構變形及剛度信息，進而計算所述加權柔度c，同時計算約束函數響應包括所述整體體積約束G、所述懸掛體積約束Τ、所述局部體積約束l；

步驟6：目標函數及約束函數的靈敏度分析；

根據各設計響應對所述設計變量μ與所述設計變量υ的解析靈敏度公式，求解當前迭代步下目標函數及各約束函數對所述設計變量μ與所述設計變量υ的差分靈敏度值；

步驟7：優化求解；利用移動漸近線算法MMA，求解面向增材制造的所述殼體與填充結構協同拓撲優化模型，更新所述設計變量μ與所述設計變量υ；

步驟8：如果所述加權柔度c的變化率在當前5個迭代步內低于0.2％，且所述基區所述殼體τ和所述填充結構ψ所用Heaviside函數的投影銳度β隨著優化迭代達到預設的最大值β_max，則結束；否則轉所述步驟3。

2.如權利要求1所述的協同優化設計方法，其特征在于，還包括后處理方法，所述后處理方法包括如下步驟：

采用閾值為0.5的投影方式，將帶有灰度單元的優化結果轉為清晰的0至1結果；

運用增材制造過濾器，檢測殘留的少量懸掛單元，將其從結構中移除。