[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

说明书

本发明属于材料结构优化设计领域，并具体公开了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。包括以下步骤：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，并以此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；然后对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。本发明使得不同材料之间具有清晰的边界，在增材制造过程中省去支撑结构的使用，提升了优化后结构的可制造性以及对热工况的适应性。

技术领域

本发明属于材料结构优化设计领域，更具体地，涉及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。

背景技术

拓扑优化是通过数学建模与优化算法，在给定的设计域及一定的边界条件下优化材料分布，以实现结构性能的提升，这种方法能够通过算法自动生成结构拓扑构型(如孔洞的数量，位置及连通性)，摆脱了经验式设计的弊端，能够充分发挥材料与结构性能。热弹性问题是一种热力弱耦合问题，即温度场会对力场产生影响，但力场不会对温度场产生影响。多相材料结构形式具有相对较高的性能上限。Wu等人建立了一种多尺度拓扑优化方法，用于优化设计受热、机械载荷影响的非周期蜂窝结构，并用于注射模的设计之中。在热力耦合拓扑优化的实际使用上，Mao等人研究了AUV的电池架结构在热应力耦合下的优化设计，Long等人为克服传统SIMP方法进行多相材料拓扑优化时，容易陷入局部最优的问题，将互变函数引入到拓扑优化的公式中。

现有的多相材料热力耦合拓扑优化方法存在以下的问题：1)在热弹性问题中，热载荷不同于机械载荷，是受材料分布的影响的，属于设计相关性载荷，因而需要对热载荷进行合理的材料插值。同时现有的热力耦合拓扑优化方法较少以增材制造过程中的温度分布作为热载荷进行结构优化。2)基于变密度法的拓扑优化结果容易出现中间密度单元及棋盘格构型，因而无法得到清晰的结构边界或者容易出现任意两种材料之间的干涉现象，使结构无法直接用于制造。3)面向增材制造结构自支撑的方法研究局限于悬伸部分倾斜角的调整，属于经验式的后处理方法，需要对拓扑优化后的最优结构形式进行修改，从而影响结构性能。因而需要在结构拓扑优化过程中考虑自支撑问题，以兼顾结构自支撑性以及结构性能。

因此本领域亟待提出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，以解决现有技术中热载荷考虑不足、两种材料间的干涉现象、自支撑局限性的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向增材制造的多相材料热力耦合拓扑优化设计方法，针对现有技术中多相材料热力耦合拓扑优化方法中的热载荷考虑不足、两种材料间的干涉现象、自支撑局限性的缺陷，设计以一套多相材料热力耦合晶格结构多尺度拓扑优化方案，从而使得不同材料之间具有清晰的边界，在增材制造过程中省去支撑结构的使用，提升了优化后结构的可制造性以及对热工况的适应性。因而尤其适于用来进行增材制造晶格结构拓扑优化设计的理论研究和实际制造。

为实现上述目的，本发明提出了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然后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。