[发明专利]空心薄壁铸铝件正向设计方法

权利要求书

1.空心薄壁铸铝件正向设计方法，其特征在于：

所述正向设计方法具体步骤如下：

步骤一：初始结构设计

确定设计空心薄壁铸铝件的硬点及占位空间，结合硬点连接形式，设计空心薄壁铸铝件连接区域结构，将空心薄壁铸铝件连接区域结构与占位空间运行布尔运算，去除叠加材料，保证相连区域的圆滑过渡；

步骤一中，初始结构设计过程具体如下：

(1)确定硬点

给出空心薄壁铸铝件设计结构与相邻结构之间的连接点坐标，连接点坐标确定的空间点定义为硬点；

(2)确定占 位空间

占位空间的确定分为以下两个步骤：

1)用直线或曲线将硬点依次连接起来，连线形成一个封闭面，封闭面内包含所有硬点，找出硬点连接组合里面积最大的连接方案；

2)以硬点间的每条连线为基础，向三维空间延伸，延伸出最大空间，并以实体填满该最大空间，该最大空间即为结构件占位空间；

(3)确定设计连接区域结构

占位空间确定后，结合硬点连接形式，设计连接区域结构；

(4)获得初始结构

连接区域结构设计完成后与占位空间之间运行布尔运算，去除叠加材料，保证相连区域的圆滑过渡，则初始结构完成；

步骤二：外轮廓结构设计

以空心薄壁铸铝件初始结构为基础，通过拓扑优化技术确定空心薄壁铸铝件外部轮廓后，对空心薄壁铸铝件外部轮廓结构进行蒙皮，形成一个等壁厚的封闭空心蒙皮结构，蒙皮厚度为空心铸造工艺能实现的最小厚度T，且空心薄壁铸铝件拓扑结构蒙皮完成后，去除空心薄壁铸铝件拓扑结构内部加强筋；

步骤二中，以空心薄壁铸铝件初始结构为基础，通过拓扑优化技术确定空心薄壁铸铝件外部轮廓的具体过程为：

(1)建立有限元分析模型：对空心薄壁铸铝件初始结构进行网格画分，空心薄壁铸铝件各个硬点与初始结构之间刚性连接，赋予空心薄壁铸铝件件材料属性；

(2)创建性能分析步：依据空心薄壁铸铝件的零件要求，创建强度、刚度或模态性能分析，确定相应种类性能分析的工况、载荷及约束；

(3)拓扑优化参数设定：包括设计空间确定、制造约束设定、设计约束设定及设计目标设定；

(4)执行拓扑优化计算，输出拓扑优化计算结果即为空心薄壁铸铝件拓扑结构；

步骤二中，对空心薄壁铸铝件外部轮廓结构进行蒙皮结构设计包括空心薄壁铸铝件外轮廓蒙皮和空心薄壁铸铝件内部孔洞蒙皮，具体过程分别如下：

(1)外轮廓蒙皮：依据空心薄壁铸铝件拓扑结构确定的外部轮廓边界，沿着材料的走势以光滑曲面封闭外部轮廓，形成空心结构，各蒙皮曲面之间的交线位置需要以倒角圆滑过渡；

(2)内部孔洞蒙皮：空心薄壁铸铝件拓扑结构内部有孔的位置，依据孔的形状及开孔方向，在外轮廓蒙皮上开通孔，然后再将孔的侧面以蒙皮封闭，孔的侧面蒙皮曲面与外轮廓蒙皮曲面交线以倒角圆滑过渡；

步骤三：内部加强筋结构设计

通过拓扑优化技术确定空心薄壁铸铝件内部加强筋布置；

步骤三中，利用拓扑优化技术确定空心薄壁铸铝件内部加强筋布置的具体过程如下：

(1)用实体填满空心薄壁铸铝件蒙皮结构内部空间；

(2)建立有限元分析模型：对内部空间已被实体填满的空心薄壁铸铝件蒙皮结构进行网格画分，空心薄壁铸铝件各个硬点与连接区域结构之间刚性连接，赋予梯形臂材料属性；

(3)创建性能分析步：依据空心薄壁铸铝件的零件要求，创建强度、刚度或模态性能分析，确定相应种类性能分析的工况、载荷及约束；

(4)拓扑优化参数设定：以空心薄壁铸铝件蒙皮及连接区域作为非设计空间，以空心薄壁铸铝件蒙皮内的实体空间作为设计空间，制造约束设定、设计约束设定及设计目标设定；

(5)执行拓扑优化计算，拓扑优化计算结果即确定了空心薄壁铸铝件内部加强筋的布置；

(6)舍弃壁厚小于0.5T的加强筋，保留壁厚0.5T以上的加强筋，保留下的加强筋壁厚均定为T，加强筋与外轮廓蒙皮曲面交线以倒角圆滑过渡，倒角大小R10～R15，单位为mm；

步骤四：结构壁厚分布优化设计

对等壁厚的空心薄壁铸铝件进行两轮自由尺寸优化，去除空心薄壁铸铝件外部轮廓蒙皮上多余材料后确定空心薄壁铸铝件厚度分布；

步骤四中，对等壁厚的空心薄壁铸铝件进行两轮自由尺寸优化的具体过程如下：

(1)建立有限元分析模型：对等壁厚的空心薄壁铸铝件抽取中面，划分网格，以板壳单元模拟壁厚结构并建立硬点与模型之间的刚性连接，赋予空心薄壁铸铝件材料属性；

(2)创建性能分析步：依据空心薄壁铸铝件的零件要求，创建强度、刚度或模态性能分析，确定相应种类性能分析的工况、载荷及约束；

(3)自由尺寸优化参数设定：确定设计空间，设定板厚范围为0～2T，根据实际性能需求确定设计约束及设计目标；

(4)执行一轮自由尺寸优化计算及结果后处理，后处理结果显示不同区域不同板厚，依据结果删除厚度小于0.5T区域的单元；

(5)更改步骤(3)的板厚范围为T～2T，其他设置不变；

(6)执行二轮自由尺寸优化计算及结果后处理，后处理结果以不同区域不同板厚显示；

经过两轮自由尺寸优化，根据自由尺寸优化确定的空心薄壁铸铝件板厚分布图，赋予空心薄壁铸铝件壁厚，不同壁厚之间的厚度变化处以倒角圆滑过渡；

步骤五：详细结构设计

通过性能校核，增加空心薄壁铸铝件连接区域局部壁厚以加强空心薄壁铸铝件结构。