[发明专利]一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板

说明书

本发明提供一种多尺度优化增材制造基板的方法，建立基板和打印件的几何模型；设定增材制造时的工艺参数，确定基板的设计域；设定基板和打印件的材料参数，基于网格映射法，进行热力耦合有限元分析，计算得到打印过程中基板上的温度分布、应力分布和位移分布；将位移分布作为基板的位移边界条件，建立宏观拓扑优化模型，并基于固体对同性材料惩罚模型，得到宏观拓扑结构；进行晶格拓扑优化，基于水平集法，计算得到微观拓扑晶格结构；将微观拓扑晶格结构等间距点阵排列嵌入宏观拓扑结构的一定区域中，得到所需的多尺度优化的基板拓扑结构。本发明优化了基板的体积，更加改善基板的刚度，增强其抵抗变形以及破换的力学性能，从而延长使用寿命。

技术领域

本发明属于结构优化设计技术领域，具体涉及一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板。

背景技术

增材制造技术突破了传统的减材成形或材料受迫成形，是一种基于微积分的原理和计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）技术，首先建立制备零件的CAD模型，再将加工零件的模型进行切片处理，进而将每层零件切片累加形成最终目标零件的技术。在增材制造过程中，由于激光的循环扫描，打印件和基板经受反复的快热快冷循环，急剧变化的温度场和巨大的局部热梯度导致较大的热应力。又由于基板和打印件的材料可能为异种材料，更加剧了基板与打印件之间接触处的应力集中。基板由于这种长时间的应力集中很容易发生开裂破坏。

拓扑优化是一种通过特定的优化算法，在给定的设计域及边界条件下优化材料分布，以提升结构性能。这种基于理论的设计方法相比于经验式设计，更能够充分发挥材料与结构性能。

目前对增材制造基板的改良较少，一般采用更换已经发生应力破坏基板的方式进行制造，这种方法无疑造成巨大的浪费，也带来了制造不可靠问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板，能够改善基板的力学性能，延长工作寿命。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种多尺度优化增材制造基板的方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、建立基板和打印件的几何模型；

S2、设定增材制造时的工艺参数，确定基板的设计域；

S3、设定基板和打印件的材料参数，对基板和打印件进行网格划分，将基板和打印件结构离散为连续网格单元，以网格单元的密度作为设计变量，基于网格映射法，进行热力耦合有限元分析，计算得到打印过程中基板上的温度分布、应力分布和位移分布；

S4、将计算得到的基板上的位移分布作为基板的位移边界条件，建立以结构刚度最大化为目标函数、并以体积限制阈值为约束条件的宏观拓扑优化模型，并基于固体对同性材料惩罚模型，引入惩罚因子，进行迭代计算，得到宏观拓扑结构；

S5、进行晶格拓扑优化，将微观晶胞简化为二维结构，并将二维结构离散为网格单元，以网格单元密度为设计变量，基于水平集法，结合最优化准则，以刚度最大化为目标，计算得到微观拓扑晶格结构；

S6、将微观拓扑晶格结构等间距点阵排列嵌入宏观拓扑结构的一定区域中，得到所需的多尺度优化的基板拓扑结构。

按上述方案，所述的S1的几何模型还进行一定的简化，将激光能量简化为空间上呈高斯分布的体热源，先进行热分析，得到激光加热过程中基板上的温度分布，再将基板上的温度作为热边界载荷，进行热力耦合有限元分析。

按上述方案，所述的S2基板的设计域在确定时，预留基板的固定位置和基板上部空间用于承载粉末的预留层，作为非设计域。

按上述方案，所述的S3在进行热力耦合有限元分析时，进行网格无关化验证。