[发明专利]一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法有效

专利信息
申请号: 202010708379.7 申请日: 2020-07-21
公开(公告)号: CN111859671B 公开(公告)日: 2021-06-22
发明(设计)人: 刘婷婷;王新禹;廖文和;张长东;王聪 申请(专利权)人: 南京理工大学
主分类号: G06F30/20 分类号: G06F30/20;G06F30/10;G06F113/10
代理公司: 南京钟山专利代理有限公司 32252 代理人: 戴朝荣
地址: 210094 江*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 考虑 悬垂 特征 约束 外形 拓扑 优化 方法
【说明书】:

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βao、保形单元虚减小角度βdo;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βo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βo≥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:

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