[发明专利]一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，属于结构优化技术领域。本发明包含以下步骤：对需求表面进行网格划分，施加需求边界条件进行力学计算；根据表面形状进行设计区域的区块划分，建立区块与有限元计算单元对应关系；根据区块内的有限元计算结果，统计区块内单元结果分布，建立大小不同晶格组成的孔状表面。本发明利用有限元仿真结果，驱动结构网格密度的分布，将曲面类基础数据分割重构，该方法着重于有限元结果的直观反馈，通过控制随机点阵密度与有限元结果相联系，避免了拓扑优化过程中大规模的迭代试算，加快了结构的生形，简化了表面类结构的轻量化生成过程，非常适合增材制造。

技术领域

本发明涉及一种产品的结构优化方法，更具体地说，涉及一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，简化了表面类结构的轻量化生成过程，非常适合增材制造。

背景技术

增量制造技术的应用始于20世纪80年代，涵盖产品开发、数据可视化、快速成型和特殊产品制造领域。在90年代增量制造技术在生产领域(分批生产、大量生产和分布式制造)的应用有了进一步发展。21世纪早期增量生产在工业生产的金属加工领域也第一次达到了前所未有的规模。21世纪初，增量制造相关器械销量大幅增加，价格大幅下降。咨询公司Wohlers Associates称，2012年3D打印机和3D打印服务在全球的价值为22亿美元，比2011年增加29％。增量制造技术同时也派生出许多应用服务，涵盖建筑、工程建造(AEC)、工业设计、汽车、航空、军事、工程学、口腔和医药工业、生物科技(人体器官移植)、时尚、鞋类、珠宝、眼镜、教务、地理信息系统、饮食等领域。

随着定制化的3D打印需求不断增长，需要更有创造性的高性能的轻量化结构材料。各行各业很早便采用拓扑优化技术来构建结构高效的轻量型创新设计。该技术尤其适合与3D打印结合使用，因为拓扑优化能够制作出自由形态的有机结构，而这样的结构用传统制造方法通常很难甚至是无法实现。因而，由于受到特定生产流程的限制，优化设计概念的效率还可能会失效。3D打印提供了前所未有的形态制作自由度，它与拓扑优化技术相结合，在保持结构完整性及性能属性的同时还使设计表现出更高创造性。

拓扑优化技术运用于明确力学条件的物理模型，可以创造出更为高效的结构模型，但由于生形过程中，参数较多，对边界条件的选择相对复杂，拓扑计算过程相对较长，设计师操作技能要求比较高；对于一些力学边界相对不明确，工况条件复杂的情况往往无法快速进行轻量化生形，不仅提高了建模的成本而且增加了设计时间。

网格化技术现已大量运用于医疗用3D打印材料，多孔性作为对生物医学植入物的功能性要求，也尤为重要，类似于平板式的结构件仍然缺少成熟的快速生形策略，因此为了实现该类结构轻量化的快速设计制造并保证优良的力学性能，在拓扑优化研究的基础上，提出一种基于有限元结果的表面轻量化方法，保证结构具有较高结构强度和刚度的前提下，材料消耗大幅度降低，同时拥有美观的结构化表面。

由于传统的拓扑优化优化结果较为单一，显示出典型的力学流线和特征，大部分情况下可以满足工业及工程要求，但对于类似于医疗护具等受力较小，刚度要求较高，兼有美观要求的产品，传统拓扑优化技术难以得到较好的优化成果。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，采用本发明的技术方案，利用有限元仿真结果，驱动结构网格密度的分布，将曲面类基础数据分割重构，该方法着重于有限元结果的直观反馈，通过控制随机点阵密度与有限元结果相联系，避免了拓扑优化过程中大规模的迭代试算，加快了结构的生形，简化了表面类结构的轻量化生成过程，非常适合增材制造。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，包含以下步骤：