[发明专利]考虑悬挑角及最小尺寸约束的自支撑微结构拓扑优化方法

说明书

本发明属于结构优化设计相关技术领域，其公开了一种考虑悬挑角及最小尺寸约束的自支撑微结构拓扑优化方法，该方法包括以下步骤：(1)对微结构的相对单元密度、材料体积分数、材料属性参数及优化算法参数进行初始化；(2)对所述微结构的相对单元密度进行悬挑角和最小尺寸约束的密度投影，并获得微结构的位移场；(3)获得所述微结构的等效弹性张量，并对微结构拓扑优化模型进行敏度分析，进而构建优化准则以更新微结构的相对单元密度；(4)判断当前的相对单元密度是否满足迭代收敛条件，若满足，则输出最优微结构构型；否则转至步骤(2)。本发明不依赖于工程经验，灵活性较高，且确保微结构具有自支撑性的同时还具有较优的宏观等效性能。

技术领域

本发明属于结构优化设计相关技术领域，更具体地，涉及一种考虑悬挑角及最小尺寸约束的自支撑微结构拓扑优化方法。

背景技术

增材制造技术的成型原理是“叠层制造”，即通过逐层累加材料的方式成型零件，因此可以实现高度复杂结构的加工成型。但是，在增材制造过程中，依然存在独特的制造约束，如1.结构的最小尺寸约束，增材制造过程中，不管采用熔融沉积成型工艺、选择性激光烧结工艺还是选择性激光熔化工艺，可成型的结构最小尺寸都不可避免地被喷嘴直径或者激光束的宽度所影响，因此结构的最小特征尺寸不能小于增材制造设备的制造精度，否则包含最小特征尺寸的结构无法制造成型。2.结构的悬挑角约束，在增材制造过程中，模型被软件切片处理后逐层打印，这就要求切片后的模型其每个部分下方都有材料，否则便会形成“空中楼阁”，造成打印过程中的坍塌现象；“空中楼阁”的结构用悬挑角这一物理量来描述，包含大悬挑角结构的模型在增材制造过程中需进行相关的处理，通常的处理方法是在模型的大悬挑角结构处人工添加支撑结构，这些支撑结构作为模型的一部分被加工成型，并在成型后去除，这样不仅造成了原料和时间成本的增加，同时后处理去除支撑结构也会损伤模型的表面质量。

目前，国内外学者在该方面做了相关的研究，但大多局限于自支撑宏观结构拓扑优化，对自支撑微结构拓扑优化的研究，多基于工程经验，通过设置周期性的隐函数或者样条函数，启发式地生成多孔自支撑结构，或者将微结构假定为大小各异的棱形结构或者骨状结构以实现自支撑设计。这类方法在自支撑结构的设计中加入了过多的人为约束和工程设计经验，依赖于经验，且获得自支撑微结构的宏观等效性能较差。相应地，本领域存在着发展一种宏观等效性能较好的自支撑结构拓扑优化方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种考虑悬挑角及最小尺寸约束的自支撑微结构拓扑优化方法，其基于现有结构拓扑优化的特点，研究及设计了一种不依赖于工程经验且能够获得较优的宏观等效性能的考虑悬挑角及最小尺寸约束的自支撑微结构拓扑优化方法。所述拓扑优化方法将增材制造的悬挑角和最小尺寸约束引入到微结构拓扑优化中，避免了微结构中出现大悬挑角结构及细小特征尺寸结构，以确保得到的微结构具有自支撑性且易于成型；同时，克服了现有自支撑微结构设计中多基于工程经验的缺陷，在自支撑微结构优化的同时保证了较优的宏观等效性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种考虑悬挑角及最小尺寸约束的自支撑微结构拓扑优化方法，该方法包括以下步骤：

(1)对微结构的相对单元密度、材料体积分数、材料属性参数及优化算法参数进行初始化；

(2)对所述微结构的相对单元密度进行悬挑角和最小尺寸约束的密度投影以获得满足悬挑角和最小尺寸约束的单元密度场分布；并对所述微结构进行有限元分析以获得所述微结构的位移场；

(3)基于有限元分析及所述位移场来获得所述微结构的等效弹性张量，并对微结构拓扑优化模型进行敏度分析以获得微结构拓扑优化的目标函数及约束条件对相对单元密度的敏度信息，进而构建优化准则以更新微结构的相对单元密度；

(4)判断当前的相对单元密度是否满足迭代收敛条件，若满足，则输出最优微结构构型；否则转至步骤(2)。