[发明专利]一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法

权利要求书

1.一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法，其中，包括以下步骤：

步骤一，在三维建模软件中建立自行车组件概念设计模型；然后将模型导出拓扑优化软件能识别的格式；

步骤二，在拓扑优化软件中设置组件载荷和支撑约束，然后进行拓扑优化得到自行车组件的拓扑结构，并分析计算自行车组件的受力情况，选出合适的优化结果；

步骤三，检查优化结果，根据自行车组件整体进行拓扑优化的计算结果，利用三维建模软件对自行车组件的孔洞进行整合处理，从而重新整合优化形态；

步骤四，将通过三维建模软件重新封闭拓扑优化产生的孔洞的自行车组件导出拓扑优化软件能识别的格式；

步骤五，在拓扑优化软件中设置与步骤二同样的组件载荷和支撑约束，并对孔洞的填充部分进行网格化设计；

步骤六，拓扑优化软件根据对步骤五的网格化所得数据进行优化计算，得出计算结果合并模型；

步骤七，从拓扑优化软件中导出3D打印格式并进行3D打印；

于步骤二中，在有限元前处理软件中分别建立基于动态潮度试验和动态温度试验两种工况下的自行车组件拓扑优化模型；在拓扑优化软件中设置组件载荷和支撑约束，然后分别进行拓扑优化得到两种工况下自行车组件的拓扑结构；

其中，在有限元前处理软件中分别建立步骤二获得的联合拓扑优化后的自行车组件模型在动态潮度试验和动态温度试验工况下的有限元模型，并分别计算两种工况下自行车组件的强度、刚度、模态、疲劳寿命和疲劳寿命的安全系数的性能参数；

其中，于步骤二中，基于拓扑优化软件分析计算自行车组件的受力情况后得出拓扑优化云图重构模型，对拓扑优化前后有限元模型的强度、刚度、模态、疲劳寿命和疲劳寿命的安全系数的性能参数的分析对比，完成模型重构，不满足则重复执行本步骤；

所述建立拓扑优化模型的数学表达式为：

MinC＝F^T·U(ρ)

s.t.KU＝F

V－0.5≤0

f1≥F

dx≤Dx，dy≤Dy，dy≤Dz

0＜δ≤ρi≤1，i＝1，2，…，n

其中，C为结构的柔度，F为节点等效载荷向量，F^T为函数转置；U为节点位移向量，K为刚度矩阵，V为体积分数，f1为一阶固有频率，dx、dy、dz为刀头处x、y、z三个方向的位移变形量，ρi为第i单元的伪密度设计变量，n为设计变量的个数；s.t为目标函数；δ是ρi的下界且取一个无限接近0的正数。

2.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法，其中，步骤二中还对自行车组件的厚度尺寸进行拓扑优化分析，其自行车组件的厚度尺寸的优化模型的数学表达式为：

目标函数：刚度最大，即柔度最小，即MinC(x)

设计变量：x＝(x1，x2，…，xn)

约束条件：

f1≥F

dx≤Dx，dy≤Dy，dy≤Dz， Ti1≤xi≤Ti2，i＝1，2，…，n

其中，xi为立柱第i个设计变量，f1为一阶固有频率，dx、dy、dy为优化模型刀头处x、y、z三个方向的位移变形量，Dx、Dy、Dz为原模型刀头处x、y、z三个方向的位移变形量，Ti1、Ti2为第i个设计变量的最小、最大厚度尺寸，n为设计变量的个数。

3.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法，其中，所述三维建模软件为evolve或rhino或3Dsmax或SolidWorks或Pro/E。

4.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法，其中，所述拓扑优化软件为optistrct或ansys或inspire。

5.根据权利要求1或3所述的一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法，其中，所述三维软件将三维模型导出为stp格式。

6.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法，其中，所述步骤七中的3D打印格式为所述拓扑优化软件导出的stl格式。