[發明專利]基于拓撲優化設計機械零件的方法

在審

• 申請號: 202210041498.0
• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114372331A
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 卞青青;蘇江;馬雪潔;童杰;張雅麗;范耀華;許世強;陳梓豪
• 申請（專利權）人: 廣東科學技術職業學院
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 重慶一葉知秋專利代理事務所(普通合伙) 50277
• 代理人: 劉洪雨

本發明公開了機械工程領域的基于拓撲優化設計機械零件的方法包括將設計平臺網格化，隨后將機械零件通過網格邊界值限定機械零件的邊界條件，同時任意一個網格表示載荷部分的單位力，通過對于零件占用的單元網格載荷力矩變化，從而改變機械零件的結構并生成非均勻分布的局部定量，隨后對所有網格中的材料進行全局定量并實現全局定量約束，本技術方案對單一的網格進行載荷力矩變化，從而通過各個部位切割的逆向過程，以生成理論上的最優結構，這些結構屬于變化過程中連續不間斷的異形結構，從而打破常規零件加工中的思維束縛，在設計過程中將理論零件和實際載荷值結合的拓補化機械零件，從而滿足設計需求，提升經濟效益。

技術領域

本發明屬于機械工程領域，具體是基于拓撲優化設計機械零件的方法。

背景技術

機械設計中貫徹標準化、系列化、通用化的意義：①、減輕設計工作量；②、標準零部件是由專業工廠大規模生產的，效率高，成本低、質量可靠；③、便于維護使用，便于更換維修，④、三化是設計應貫徹的原則，也是國家的一項技術政策。而其中的拓撲優化設計面向是一般零件設計方法，在滿足強度的條件下，盡量減少重量。

但是在常規的機械零件設計和使用過程中，經常會遇到性能參數與設計要求存在差異的問題，這就要求設計人員要以最為經濟有效的方法，使機械零件的性能參數得到修正，以滿足設計要求。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的是通過模擬機械零件不同節點受力的關系，從而實現在設計過程中將理論零件和實際載荷值結合以生成拓補化機械零件，從而滿足設計需求，提升經濟效益。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：基于拓撲優化設計機械零件的方法包括將設計平臺網格化，隨后將機械零件通過網格邊界值限定機械零件的邊界條件，同時任意一個網格表示載荷部分的單位力，通過對于零件占用的單元網格載荷力矩變化，從而改變機械零件的結構并生成非均勻分布的局部定量，隨后對所有網格中的材料進行全局定量并實現全局定量約束。

進一步，還包括以下步驟：

S1，在網格化平臺中導入機械零件的基礎輪廓，此時將機械零件的基礎輪廓占用的網格面積進行局部選定；

S2，將局部選定的網格區域填入以下參數：材料參數、應力參數、形狀變化參數和相鄰網格之間材料的相對密度參數；

S3，對單元格內的應力參數設置為滑動變量，同時將應力參數設置相應的上限，應力參數、材料的相對密度參數和形狀變化參數成正比，當應力參數變化時單元格的形狀變化參數控制機械零件的結構變化；

S4，相鄰網格間的材料參數和應力變化參數生成過渡值，過渡值將零件之間的安裝接口進行形狀協調；

S5，對網格的局部定量進行約束，以控制局部定量的最大值和最小值以實現拓補優化。

進一步，對于參數的填入結果包括密度場、應變場、應力場和/或壓縮場，并且確定所述非均勻分布包括：基于所述密度場、所述應變場、所述應力場和/或所述壓縮場自動確定一個或多個局部定量約束；和/或顯示所述密度場、所述應變場、所述應力場和/或所述壓縮場的圖形表示，并且經由用戶交互來確定一個或多個局部定量約束。

進一步，約束的數值基于如下原則：減少由于零件結構引起的應力集中和應力過剩。

進一步，在變化調試過程中每一次機械零件的結構變化終止時生成記憶曲線，隨后導入原始機械零件作為性能曲線，將靠近性能曲線的記憶曲線以網格為單位截留，隨后生成截留后的圖形。其中記憶曲線和性能曲線的橫坐標為力偏差的角度，縱坐標為應力峰值。

進一步，將截留后的圖形進行補全，使未連接部分進行補充設計，此時補充的線條區間為記憶曲線至性能曲線之間。

進一步，所述機械零件是增材制造零件，具有一個或多個功能性外部區域和一個或多個內部區域的零件、和/或車輛零件。