[发明专利]基于球单元的亚表面多孔网状结构的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构设计技术领域，尤其涉及基于球单元的亚表面多孔网状结构的设计方法。

背景技术

增材制造，也叫3D打印，原理是将三维的实体的数字模型(CAD文件)离散化成切片模型，再将切片模型转化为打印头的行走轨迹，通过打印头将材料不断添加到打印件上去，这样材料就按照打印轨迹不断地被添加，逐层打印起来，就形成了最终的实体打印件。与传统制造业的“减材制造技术”不同，3D打印遵从的是加法原则，可以直接将计算机中的设计转化为模型，直接制造零件或产品，不再需要传统的刀具、夹具和机床；同时直接将虚拟的数字化实体模型转变为产品，极大地简化了生产的流程，降低了材料的生产成本，缩短了产品的设计与开发周期，使得生产任意复杂结构零部件成为可能，也是实现材料微观组织结构和性能的可设计的重要技术手段。

3D打印耗材包括：塑料、橡胶、金属、粉末、尼龙、薄膜、树脂、石蜡、石膏、尼龙丝、钛合金、陶瓷等不同材料。3D打印技术将使得商品的生产制造进入全新的阶段，生产的组织方式也会更加扁平化，而它潜在的对生产的巨大解放，能够极大提高我们社会生产效率。

球具有优良的力学性能，数学表达精简，其结构的特殊性，可以将应力集中处的极高应力通过球与球间的接触分散。

发明内容

本发明提供了一种基于球单元的亚表面多孔网状结构的设计方法，包括如下步骤：

(1)根据设计要求建立部件的三维实体模型，对其在设计要求的工况下进行有限元分析，得出部件的应力分布等与力学性能相关的参数；

(2)对步骤(1)获得的力学参数进行数据分析、归纳整理，得到系统性、综合性的力学问题和优化导向，形成设计目标；

(3)根据步骤(2)中形成的设计目标进行基于球单元的多孔网状结构设计，选择合适的球单元设计自由度，设计出亚表面多孔网状结构；

(4)对步骤(3)中设计出的结构，进行计算机仿真分析和相关测试验证部件是否满足设计需求。

作为本发明的进一步改进，所述球单元包括球、由球衍生出的球壳、表面含孔洞的球壳以及球的拓扑结构。

作为本发明的进一步改进，球单元设计自由度包括单元种类和分布特征，单元种类包括实体球、表面打孔的球壳，分布特征包括球单元三维坐标数学参数。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤(1)中，根据部件的应力强度要求填充球单元或球单元的拓扑结构，通过在合理的位置填充合理半径大小的实心球体、空心球壳、带孔洞的球壳、半球或球体的拓扑结构，建立球心的三维位置、球心半径的结构矩阵，设计相应的增材制造技术的结构算法，利用有限元分析，优化内部结构的设计，然后采用合适的材料，基于3D打印技术加工制造出符合应力强度的要求的部件。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤(4)中，包括如下步骤：

(41)通过常规实验测试3D打印出的产品的基本物理机械性能；

(42)按照部件在实际工作中的工况搭建微缩的试验平台，从零逐渐增加载荷，在试验平台上对产品进行加载试验，采用电阻应变片法测试不同载荷条件下部件的变形分布以及变形量变化情况；

(43)将步骤(41)中测量的部件的基本物理机械性能以及基本物理机械性能种类与步骤(42)中的不同载荷条件作为基本输入值，采用有限元分析软件进行产品的受力模拟分析；将模拟的变量分析结果与步骤(42)中实测结果进行对照，符合度大于90％则进行下一步，否则返回到(43)调整基本物理机械性能种类及载荷条件，再次进行模拟分析，直到理论和试验符合度达到要求；

(44)将步骤(43)中调整好的载荷条件、基本物理机械性能种类和(41)中的材料基本物理机械性能作为输入参数，采用有限元分析软件进行产品受力模拟分析，从零开始增加载荷力的大小，模拟分析出产品的强度，即可推演出相应产品在实际工况下不会变形过大而失效，能够承受得住相应的载荷。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤(41)中，基本物理机械性能包括：抗拉强度、弹性模量、布氏硬度、泊松比、屈服强度、切线模量和密度。

作为本发明的进一步改进，步骤(42)、(43)、(44)中所述的载荷条件指的是施加载荷力的大小、力的方向、力的作用点和力的分布情况。

作为本发明的进一步改进，将改进的内部结构设计建立相应的球心的三维位置、球心半径的结构矩阵，设计出相应的结构算法，利用3D打印技术进行量化生产。