[發(fā)明專利]一種面向增材制造的殼體與填充結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110049456.7
• 申請(qǐng)日: 2021-01-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112699511B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周明東;陸宇帆;劉義暢;魏創(chuàng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 上海旭誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發(fā)明公開(kāi)了一種面向增材制造的殼體與填充結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)領(lǐng)域，包括如下步驟：步驟1：參數(shù)初始化；步驟2：構(gòu)建殼填充結(jié)構(gòu)密度及剛度的參數(shù)化模型；步驟3：構(gòu)建增材制造懸掛約束模型和局部體積約束模型；步驟4：構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化建模，確定目標(biāo)函數(shù)及約束函數(shù)；步驟5：求解有限元模型，獲得設(shè)計(jì)響應(yīng)；步驟6：目標(biāo)函數(shù)及約束函數(shù)的靈敏度分析；步驟7：優(yōu)化求解；步驟8：如果滿足收斂條件，則結(jié)束；否則轉(zhuǎn)所述步驟3。通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)殼體與填充物結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，還可以獲得具備增材制造無(wú)懸掛特征的結(jié)構(gòu)，可直接通過(guò)增材制造實(shí)現(xiàn)加工。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)領(lǐng)域，尤其涉及一種面向增材制造的殼體與填充結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

增材制造構(gòu)件通常被設(shè)計(jì)成殼體與填充結(jié)構(gòu)兩大部分，不僅可以顯著節(jié)省材料用量，提升制造效率，還具有優(yōu)良的比剛度、比強(qiáng)度、吸能性能，被廣泛應(yīng)用于重載火箭、寬體客機(jī)、高速列車等重大戰(zhàn)略裝備。

與傳統(tǒng)制造方法相比，盡管逐點(diǎn)逐層加工的增材制造不受構(gòu)件幾何形狀限制，但構(gòu)件懸掛區(qū)域需要額外設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，以避免在加工過(guò)程中發(fā)生懸掛坍塌，進(jìn)而導(dǎo)致制造失敗，同時(shí)保證構(gòu)件制造精度與制造質(zhì)量。設(shè)置于殼體外部的懸掛區(qū)域可由外部支撐結(jié)構(gòu)提供支撐，在打印結(jié)束后移除；但是設(shè)置于殼體內(nèi)部的懸掛區(qū)域處于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其支撐結(jié)構(gòu)在打印結(jié)束后無(wú)法移除，同時(shí)，填充結(jié)構(gòu)在逐點(diǎn)逐層制造過(guò)程中亦需具備自支撐特性。針對(duì)這一類構(gòu)件的設(shè)計(jì)問(wèn)題，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圍繞著固定形狀殼體，利用滿足自支撐特征的周期性規(guī)則形狀填充結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)殼體內(nèi)部區(qū)域，通過(guò)人為后處理實(shí)現(xiàn)內(nèi)部懸掛區(qū)域被完好支撐。這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式依賴于設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)，需要反復(fù)試錯(cuò)迭代，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)且材料冗余度大，難以把握設(shè)計(jì)與制造前后結(jié)構(gòu)的形性一致性。

針對(duì)增材制造構(gòu)件支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，中國(guó)專利CN 110502822 A公開(kāi)一種用于增材制造的自支撐結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)“四單元體法”計(jì)算并約束懸垂角度，將懸垂角度約束與具有懲罰的實(shí)體各向同性材料方法(solid isotropic microstructureswith penalization，SIMP)結(jié)合，得到用于增材制造的自支撐結(jié)構(gòu)，上述設(shè)計(jì)方法能有效避免優(yōu)化結(jié)構(gòu)出現(xiàn)懸垂特征，有效降低材料用量及制造成本，提高了構(gòu)件表面質(zhì)量；但該方法僅針對(duì)自支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，無(wú)法普適地解決增材制造中常見(jiàn)的殼填充結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，特別考慮到殼與填充結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化，以獲得機(jī)械性能更優(yōu)、設(shè)計(jì)與制造前后結(jié)構(gòu)的形性更加一致的殼填充結(jié)構(gòu)。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開(kāi)發(fā)一種面向增材制造的殼體與填充結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)殼體與填充物結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，還可以獲得具備增材制造無(wú)懸掛特征的結(jié)構(gòu)，可直接通過(guò)增材制造實(shí)現(xiàn)加工。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、冗余大、無(wú)法滿足增材制造加工需求、無(wú)法普適地解決增材制造中常見(jiàn)的殼填充結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種面向增材制造的殼體與填充結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟1：參數(shù)初始化；

根據(jù)結(jié)構(gòu)的外形，定義所述結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)域與非設(shè)計(jì)域；

基于所述結(jié)構(gòu)的實(shí)際工況，確定載荷及邊界條件，建立有限元模型；

初始化優(yōu)化參數(shù)及設(shè)計(jì)變量μ與υ；

步驟2：構(gòu)建殼填充結(jié)構(gòu)密度及剛度的參數(shù)化模型；

基于密度過(guò)濾公式及Heaviside投影格式，運(yùn)用兩步過(guò)濾法將所述設(shè)計(jì)變量μ轉(zhuǎn)化為基區(qū)和殼體τ；依次使用密度過(guò)濾與投影法，將所述設(shè)計(jì)變量υ轉(zhuǎn)化為填充結(jié)構(gòu)ψ；根據(jù)所述基區(qū)所述殼體τ和所述填充結(jié)構(gòu)ψ，構(gòu)建單元密度的統(tǒng)一表達(dá)式ρ(φ,τ,ψ)；采用SIMP方法，建立單元密度及剛度的參數(shù)化模型，將單元密度插值集成于有限元分析中；