[發明專利]一種基于應力分布的變密度點陣結構及其設計方法有效

申請號：	202110612801.3	申請日：	2021-06-02
公開（公告）號：	CN113326582B	公開（公告）日：	2022-10-25
發明（設計）人：	易輝成;易杰;唐鋒	申請（專利權）人：	湖南工業職業技術學院
主分類號：	G06F30/17	分類號：	G06F30/17;G06F30/23;G06F111/06;G06F111/10;G06F113/10;G06F119/14
代理公司：	長沙智德知識產權代理事務所(普通合伙) 43207	代理人：	陳銘浩
地址：	410205 ***	國省代碼：	湖南;43
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種基于應力分布密度點陣結構及其設計方法
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【說明書】：

本發明公開一種基于應力分布的變密度點陣結構及其設計方法，該方法包括如下步驟：對加載有預設載荷的初始結構進行有限元分析，獲取初始結構中各個單元節點上的節點等效應力；建立節點等效應力與點陣結構參數之間的應力匹配函數；基于有限元網格構建變密度點陣結構，變密度點陣結構為類桁架結構；以應力匹配函數的系數為變量，對變密度點陣結構進行優化計算，得出最優點陣結構。本發明提供的設計方法通過構建應力匹配函數，使點陣結構與節點等效應力做到精確匹配；通過調整應力匹配函數的系數對點陣結構進行優化設計，大幅度減少了設計變量，提高了設計計算效率，降低了設計計算難度。

技術領域

本發明涉及結構輕量化設計技術領域，具體地，涉及一種基于應力分布的變密度點陣結構及其設計方法。

背景技術

點陣結構由于具有超輕、高比強度、高比剛度、高強韌性、高能量吸收性等一些優良的機械性能，以及減震、電磁屏蔽、吸聲、散熱、滲透等特殊性能的力系特性，在航空航天、汽車等工業領域具有很大的應用前景。傳統的制造點陣結構的工藝步驟復雜，加工時間長，原材料利用率低，制造成本高，且微觀結構基本為等密度分布，未能根據結構的應力分布情況進行密度調整，還存在很大的結構冗余。

增材制造技術的快速發展，使點陣結構設計可以突破了結構幾何約束，能夠制造出傳統工藝無法加工的非常規結構特征。基于增材制造的可控點陣結構，可以讓設計者人為地控制其相對密度、結構尺寸、點陣位置以連接情況等微觀結構。使用微觀有序的點陣結構作為填充介質時，可根據零部件內部不同的受力環境實現填充微觀單元的拓撲結構、單元數量與尺寸以及局部相對密度等參數的精確控制，實現材料與結構的最佳匹配，開發傳統設計方法無法設計出或者傳統制造技術無法制造出的輕量化產品。目前，變密度點陣結構技術逐漸得以發展，但是現有變密度點陣結構其微觀尺寸并不能與結構整體的應力分布相匹配，結構還存在很大冗余，同時設計方法復雜、繁瑣，難度較大，且難以完成結構整體的變密度點陣結構參數的調整。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種基于應力分布的變密度點陣結構及其設計方法，使得變密度點陣結構的點陣密度、單元尺寸等微觀結構能與結構應力進行精確匹配，解決了已有的變密度點陣結構設計計算效率低、設計復雜的問題。

為實現上述目的，本發明提出的基于應力分布的變密度點陣結構設計方法，包括如下步驟：

對加載有預設載荷的初始結構進行有限元分析，獲取所述初始結構中各個單元節點上的節點等效應力；

建立所述節點等效應力與點陣結構參數之間的應力匹配函數；

基于有限元網格構建變密度點陣結構，所述變密度點陣結構為類桁架結構；

以所述應力匹配函數的系數為變量，對所述變密度點陣結構進行優化計算，得出最優點陣結構。

優選地，所述建立節點等效應力與點陣結構參數的應力匹配函數的步驟具體包括：

以所述節點等效應力為自變量，以所述桁架點陣結構的圓截面半徑為因變量，建立兩者之間的應力匹配函數。

優選地，當結構的變形處于線性階段時，所述應力匹配函數為線性函數，即：

f(σ_i)＝aσ_i+b

式中，σ_i為有限元模型上第i個節點上的節點等效應力，f(σ_i)為i節點處的點陣結構中桁架圓截面尺寸，a、b為應力匹配函數的系數。