[發明專利]基于有限元理論的等效輕量化結構分析方法

有效

• 申請號: 202110450605.0
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113139313B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 唐倩;金夢霞;馮琪翔;范小杰;馬帥;宋軍;金鵬;趙明強
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/20
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 胡博文

本發明公開了一種基于有限元理論的等效輕量化結構分析方法，該方法基于有限元理論中的基本方程進行輕量化結構設計得到基于應力匹配的三維多孔結構，然后通過驗證與三維多孔結構對應的等效實體分析結果與三維多孔結構的仿真結果之間的差別，驗證了兩者之間誤差較小，而對于節約計算資源方面得到了很大的提高；因此通過采用等效實體分析結果近似代替三維多孔結構分析結構，能夠快速地預測輕量化后的結構，極大的降低計算資源，提高了計算效率。

技術領域

本發明涉及一種基于有限元理論的等效輕量化結構分析方法。

背景技術

多孔結構被廣泛應用于醫療領域、化學工程以及土木工程等，用以達到輕量化的要求。除此之外，隨著增材制造技術的發展，也能夠實現復雜多孔結構模型的制造。當前，極小曲面法多用于多孔結構設計，因為該方法有利于對多孔結構的輕量化，孔隙率和連通性等特征的控制。然而，目前輕量化設計后的多孔結構，存在仿真數據量大，仿真效率低，電腦性能要求高等缺點。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于有限元理論的等效輕量化結構分析方法，以解決現有目前輕量化設計后的多孔結構存在仿真數據量大的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種基于有限元理論的等效輕量化結構分析方法，包括以下步驟：

S1：將TPMS結構進行仿真分析，獲得TPMS結構中的P結構的GA函數：

其中，E^*、σ^*和ρ^*分別為多孔結構的等效彈性模量、屈服強度和體積分數；E_S、σ_S和ρ_S分別為材料的彈性模量、屈服強度和體積分數；C_E、C_σ、m_σ和m_E為比例因子，與結構的形狀和材料相關；

S2：將所需設計的結構進行有限元分析，得到σ^*＝f(x，y，z)(3)；

S3：聯立式(1)、式(3)以及TPMS結構的設計參數t^*與體積分數ρ^*的關系函數ρ^*＝f(t^*)(4)，求解得到設計參數t^*與三維坐標的函數：t^*＝f(x，y，z)(5)；

S4：基于強度理論對步驟S3求解結果進行輕量化設計得到基于應力匹配的三維多孔結構；

S5：根據和設計與所述三維多孔結構對應的等效實體，然后將步驟S4得到的所述三維多孔結構與其對應的等效實體進行仿真分析，計算所述三維多孔結構與其對應的等效實體之間的誤差，若誤差在閾值范圍內，則表明三維多孔結構對應的等效實體的分析結果能夠代替三維多孔結構的仿真結果進行輕量化結構設計。

進一步地，所述步驟S4具體包括：將得到的三維多孔結構進行仿真測試，觀察在相同的邊界條件下，該三維多孔結構模型是否存在屈服現象，若未存在屈服現象，則輸出優化后的三維多孔結構模型；否則，將調整t^*＝f(x，y，z)中的安全系數T_Q，重新進行設計，直到達到符合未存在屈服現象，則輸出優化后的三維多孔結構模型；其中，安全系數T_Q根據工程需求確定。

進一步地，所述步驟S5具體包括：

S51：根據式和設計與所述三維多孔結構對應的等效實體；

S52：對步驟S4得到的所述三維多孔結構進行網格劃分得到網格模型，然后根據所述網格模型進行三點彎曲有限元分析；

S53：將所述三維多孔結構所對應的等效實體進行三點彎曲有限元分析；