[发明专利]一种面向增材制造的多相材料热力耦合拓扑优化设计方法

权利要求书

1.一种面向增材制造的多相材料热力耦合拓扑优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1将多相材料结构离散为多个宏观单元，并根据各个宏观单元的材料类型以及有无材料填充，对多相材料结构的杨氏模量以及热力系数进行插值，构建多相材料结构的杨氏模量插值模型以及热力耦合有限元平衡方程；

S2基于步骤S1构建的杨氏模量插值模型以及热力耦合有限元平衡方程，建立以多相材料结构柔顺度最小化为目标函数，以构成多相材料结构的每种实体材料的用量上限为设计约束的多相材料拓扑优化模型；

S3对多相材料拓扑优化模型的设计变量进行灵敏度分析，并迭代更新宏观尺度及微观尺度中的设计变量，从而得到边界清晰的最优结果。

2.根据权利要求1所述的一种面向增材制造的多相材料热力耦合拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，采用设计变量(x_i1,x_i2)来描述每一个宏观单元，i为大于0的正整数，为宏观单元的个数；x_i1为宏观单元中第一实体材料和第二实体材料总体积占宏观单元体积的体积占比，x_i2为第二实体材料占第一实体材料和第二实体材料总体积的体积占比。

3.根据权利要求2所述的一种面向增材制造的多相材料热力耦合拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，所述多相材料结构的杨氏模量插值模型为：

E(x_i1,x_i2)＝η_E,1(x_i1){η_E,2(x_i2)E⁽²⁾+[1-η_E,2(x_i2)]E⁽¹⁾}+[1-η_E,1(x_i1)]E⁽⁰⁾

其中，

E⁽⁰⁾为宏观单元无材料填充时该宏观单元的弹性模量，E⁽¹⁾为宏观单元仅为第一实体材料时该宏观单元的弹性模量，E⁽²⁾为宏观单元仅为第二实体材料时该宏观单元的弹性模量，β⁽⁰⁾为宏观单元无材料填充时该宏观单元的热力系数；β⁽¹⁾为宏观单元仅为第一实体材料时该宏观单元的热力系数，β⁽²⁾为宏观单元仅为第二实体材料时该宏观单元的热力系数；R_E，1为第一实体材料在RAMP模型中的杨氏模量插值系数，R_E，2为第二实体材料在RAMP模型中的杨氏模量插值系数。

4.根据权利要求2所述的一种面向增材制造的多相材料热力耦合拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，所述热力耦合有限元平衡方程为：

β(x_i1,x_i2)＝η_β,1(x_i1){η_β,2(x_i2)β⁽²⁾+[1-η_β,2(x_i2)]β⁽¹⁾}+[1-η_β,1(x_i1)]β⁽⁰⁾

其中，

β⁽⁰⁾为宏观单元无材料填充时该宏观单元的热力系数；β⁽¹⁾为宏观单元仅为第一实体材料时该宏观单元的热力系数，β⁽²⁾为宏观单元仅为第二实体材料时该宏观单元的热力系数，R_β，1为第一实体材料在RAMP模型中的热力耦合插值系数和R_β，2为第二实体材料在RAMP模型中的热力耦合插值系数。