[发明专利]一种用于增材制造的自支撑结构的拓扑优化设计方法

说明书

本发明公开了一种用于增材制造的自支撑结构的拓扑优化设计方法，属于结构优化设计相关技术领域，通过“四单元体法”计算并约束悬垂角度α，将悬垂角度约束与SIMP方法结合，得到增材制造中为自支撑结构的悬垂结构的方法，本发明能够有效遏制需要支撑的悬垂结构出现，避免支撑结构的添加，有效降低耗材使用量和成本，提高工件表面质量；此外该计算方法完全适用于连续体结构，灵活性高，适用范围广，极易作为扩展模块植入拓扑优化框架中，简单易行。

技术领域

本发明涉及一种用于增材制造的自支撑结构的拓扑优化设计方法，属于结构优化设计相关技术领域。

背景技术

拓扑优化是实现工件结构轻量化设计的有效手段，但由于优化后的工件往往结构复杂，大多拓扑优化仅用于结构的概念设计，后期加工阶段因传统加工工艺限制而难以进行。近年来，随着增材制造技术的兴起与发展，国内外学者及工业设计人员普遍认为增材制造技术因其加工复杂构件能力强、加工周期短、无需工装模具等显著优点，使得加工不再受工件结构限制，将其与拓扑优化相结合是实现零件轻量化的最佳方法。

增材制造技术的成型原理是“叠层制造”，即通过材料逐层累加的方式成型零件。但是，在增材制造过程中依然存在制造约束，其中悬垂结构约束影响最为严重。增材制造中，模型被软件切片后逐层打印，为避免打印坍塌，要求模型切片后的每一层的每个部分下方都有足够的材料进行支撑，若层下支撑材料不足时便会形成悬垂结构，必须人为添加辅助支撑以保证打印成功，这些支撑在加工时成型，并在后处理时去除，造成原料和时间成本的严重浪费，甚至在去除时损伤工件表面。国内外学者发现悬垂结构是否需要辅助支撑可通过悬垂角度进行判断，悬垂角度即工件的悬垂表面和水平面间的夹角，并发现存在悬垂阈角。当悬垂角度大于等于悬垂阈角时，此时悬垂结构可以实现自支撑，无需添加辅助支撑便能达到较高的打印质量；当悬垂角度小于悬垂阈角时，则需要添加辅助支撑。

针对上述问题，迫切需要开发一种用于增材制造的自支撑结构的拓扑优化设计方法。在拓扑优化的过程中，约束计算得到的悬垂角度，使其始终大于等于悬垂阈角，即确保悬垂结构始终是自支撑结构，使工件无需支撑便可直接加工，极大节省成本，节约时间。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种用于增材制造的自支撑结构的拓扑优化设计方法，能够计算并约束悬垂角度，得到始终为自支撑结构的悬垂结构，避免支撑结构的添加，有效降低耗材使用量和成本，提高工件表面质量，同时本发明完全适用于连续体结构，灵活性高，适用范围广，能够作为扩展模块植入拓扑优化框架中，简单易行。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于增材制造的自支撑结构的拓扑优化设计方法，通过“四单元体法”计算并约束悬垂角度α，将悬垂角度约束与SIMP方法结合，得到增材制造中为自支撑结构的悬垂结构的方法。

本发明技术方案的进一步改进在于：包括以下步骤：

A建立零件几何模型，定义载荷和边界条件，基于SIMP密度-刚度插值模型，定义设计变量、目标函数和约束函数，对单元体密度、材料属性参数、材料体积分数、优化算法参数进行初始化；

B将单元体的相对密度作为设计变量，通过线性密度滤波器获取单元体的中间密度

C通过非线性密度滤波器和单元体的中间密度获取单元体的物理密度