[发明专利]基于温度比拟连通性的可制造性约束拓扑优化方法

说明书

本发明公开了一种基于温度比拟连通性的可制造性约束拓扑优化方法。该方法的目的是将増材制造工艺中存在的连通性约束考虑到拓扑优化模型中，实现拓扑优化结构的一次性制造。该方法通过在孔洞处虚拟添加高导热自发热材料，在结构区域虚拟添加绝热材料，边界设为散热边界，将结构的连通性约束等效为虚拟温度场下结构最大温度值小于一个常数。该约束由于物理意义明确，数学表达形式简单，敏度信息可求，有利于基于梯度优化算法求解。在拓扑优化设计中考虑结构的连通性约束，可有效的避免拓扑最优结构中内部封闭孔洞的出现，采用増材制造工艺时可一次成型，避免二次加工。

技术领域

本发明涉及在增材制作过程中，采用基于温度比拟连通性的可制造性约束拓扑优化方法。涉及专利分类号G06计算；推算；计数G06F电数字数据处理G06F17/00特别适用于特定功能的数字计算设备或数据处理设备或数据处理方法G06F17/50计算机辅助设计。

背景技术

参照图1～2，机械、航空航天等结构创新设计阶段，概念模型设计占有越来越重要的地位。结构拓扑优化技术已经成为概念模型创新设计的有效工具，并获得成功应用。由于传统拓扑优化没有考虑制备工艺的限制，获得的结构构型复杂。工程师往往需要对优化结果进行修正，以满足制造工艺的要求。此过程耗时耗力，延长了结构设计周期；最终的结构构型与拓扑优化结构构型会有较大差别。因此，研究考虑制造工艺要求的结构拓扑优化设计的理论和方法具有重要的理论和应用价值。

増材制造过程中，无论是采用熔融沉积成型(FDM)或者激光选择性烧结粉末技术(SLS)，都需要在结构打印结束后去除支撑材料或者未熔融的金属粉末，因而要求结构内部不能含有封闭的内部孔洞1。对于含内部孔洞的结构2，由于无法去除支撑材料或者未熔融的金属粉末，常常需要二次修正或者结构分区制造，大大加大了制造的工艺难度，提高了成本。

因此在结构拓扑优化设计初期考虑连通性约束，提出了一种考虑连通性约束的拓扑优化模型及求解方法具有重要的意义。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种基于温度比拟连通性的可制造性约束拓扑优化方法，具有如下步骤：

—建立设计目标的有限元模型和带有设计目标连通性约束的拓扑优化模型；定义有限元模型中的载荷和边界条件；

—在有限元模型中的孔洞处虚拟添加高导热自发热材料，将结构区域虚拟替换为绝热材料，有限元模型的边界定义为散热边界，构建虚拟温度场模型；将所述的连通性约束转换为虚拟温度场约束为虚拟温度场中的温度最大值，为温度场常数，λ为设定常数，T_max为虚拟温度场模型中全部材料为高导热自发热材料时温度最大值。

—采用伴随法求解得出所述的虚拟温度场约束的敏度，该敏度即为所述拓扑优化模型中连通性约束的敏度；选取梯度优化算法MMA计算拓扑优化模型，得到制造目标的拓扑优化结果。

作为优选的实施方式，所述的λ为1-10的常数。

作为优选的实施方式，所述的拓扑优化模型为：

subject to Κ(ρ_e)u＝F

0≤ρ_ei≤1 for i＝1,...,m

find ρ_e∈R^m

其中ρ为设计变量；m为设计变量个数；f(ρ,u)为目标函数；Κ为有限元模型总体刚度矩阵；F为节点等效载荷向量；u为节点整体位移向量；g₁为材料体积约束，v_e为单元体积，V为设计目标总体积，γ为材料体分比；g₂为连通性约束等效列示，通过添加虚拟温度场实现，为虚拟温度场中温度最大值，为常数。