[发明专利]一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法

说明书

本发明公开了一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法，将模型体素化网格划分，以体素单元集合为基准构建可保持结构外表面形貌不变的保形单元；其次面向增材制造悬垂特征工艺约束要求，计算保形单元所处悬垂角度与水平距离，并定义保形单元悬垂函数，将保形单元按悬垂函数值由小到大排序；对保形单元施加模拟增加、减小操作的悬垂特征约束，以确保在拓扑优化过程中不会产生新的悬垂结构；迭代过程中，依据排序顺序对保形单元执行增加、减小操作。本方法可以在保持结构外层形貌不变的情况下，减少结构内层不符合增材制造自支撑要求的悬垂结构，提高拓扑优化设计结构的可打印性。

技术领域

本发明属于面向增材制造的结构优化设计技术领域，具体涉及一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术近年来广为关注，发展迅速。与传统的切削加工制造不同，增材制造采用逐层添加材料、累积成型的方式完成零件的快速制造，很大程度上消除了零件的几何复杂性对模型制造的影响。尽管如此，增材制造工艺本身仍对零件的优化设计存在一定的工艺制约。当三维零件模型存在悬垂区域时，由于其下层为悬空区域，难以提供足够的支撑力和热传递路径，使得结构容易产生塌陷或翘曲。添加支撑结构虽然能够在一定程度上解决此类问题，但过多的支撑结构意味着额外的材料损失、成形时长和后处理工作的增加，还可能影响零件的内应力分布。因此，结构优化设计过程中，必须考虑如何减少优化结构的悬垂区域，降低支撑结构的使用量。此外，在一些工程应用中，为应对不同的工况条件，需要保证结构外部形貌与其外部尺寸不变，以契合其需要的工作场景。如何能够在保持结构外部形貌的前提下，优化悬垂结构，显得格外重要。

发明内容

本发明提供一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法，目的是减少结构内层不符合增材制造自支撑要求的悬垂结构，提高拓扑优化设计结构的可打印性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法，包括以下步骤：

S1、将结构模型进行体素化网格划分，每个体素单元都有其对应的空间坐标；

S2、以体素单元集合为基准，构建能够约束结构模型外表面的保形单元，每个保形单元包括结构模型的外表面单元、内部单元与内表面单元；

S3、定义控制保形单元的两种变化方式：保形单元增加操作、保形单元减小操作；

S4、定义保形单元悬垂函数，计算每个保形单元的悬垂函数值P，并将保形单元按悬垂函数值从小到大排序；

S5、设定最小自支撑角度β；求取保形单元虚增加角度β_ao、保形单元虚减小角度β_do；设定悬垂角度约束，使在迭代过程中不会产生新的悬垂角度β_o小于最小支撑角β的结构；

S6、设定迭代变化率l，确定迭代变化数S，依据迭代变化数对步骤S4得出的排序队列应用步骤S3的保形单元变化方法，对保形单元执行增加或减少操作；在当前步骤施加步骤S5中设定的悬垂角度约束，不对被约束的保形单元执行增加操作与减小操作；

S7、对全部保形单元虚增加、虚减小角度约束重置，并在下次迭代中重新判定；

S8、迭代循环步骤S4至步骤S7，直到结构内表面全部悬垂结构角度β_o≥β时，迭代终止。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，步骤S3中保形单元增加操作为：在保形单元的内表面一侧，由结构模型外表面至内表面方向增加一个体素单元；保形单元减小操作为：在保形单元的内表面一侧，由结构模型内表面至外表面方向删减一个体素单元。

进一步地，步骤S4中定义的保形单元悬垂函数如式(1)所示，式(1)如下：