[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

说明书

本发明公开了一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法，通过拓扑优化设计理论结合计算机虚拟分析技术，分析优化了自行车组件的结构，并选出应力分布均匀，材料节省，适合3D打印的自行车组件的结构；从而得到结构最优、性能最好、综合考虑刚度、强度和结构最优化的自行车组件；本发明具有降低了零件重量，减少材料使用量，缩短开发周期和减少样件实验次数的优点。

技术领域

本发明涉及自行车技术设计领域，具体而言，涉及一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法。

背景技术

随着计算机科学技术的飞速发展，结构优化设计已成为获得轻量化和高性能结构的最重要手段之一。拓扑优化是一种确定最佳结构型的设计方法，它已被广泛应用于工程领域。以提高产品的结构性能，拓扑优化以载荷为设计变量，约束产品的形态结果，其无需初始构型，根据施加载荷变量的变化，可得到合理的优化设计结果。由于拓扑优化的形态空间穿插特征相对较多，大都以不规则形态为主，虽然可以得到优化后的模型文件，但是在生产制造环节就会遇到很多问题，3D打印技术的日趋成熟，加速了拓扑优化计算结果的生产制造进程。也推动了拓扑优化设计方法在产品设计中的应用。

车架和前叉是自行车最主要的部件，它们很大程度上决定了自行车的重量、耐用性、整体刚性等主要指标。车架立管顶部连接座管部分，大都同时连接上管与后上叉，四个管状结构的交汇于一点，并且四个管状结构方向不同，延长线相互交错，在生产制造方面大都采用焊接的形式，一旦一个方向的结构出现问题，整个车架随之报废。所以，如何去提高车架的结构性能，设计出一款结构型态合理的车架是本领域的技术难题，就算是有经验的工程师，也很难把握好每个车架的结构性能，而且难以分析优化了自行车组件结构，无法满足结构最优、性能最好、综合考虑刚度、强度和结构最优化。同时，也无法知道如何实现降低零件重量，减少材料使用量，缩短开发周期，减少样件实验次数。

因此，需要开发或者改进一种优化自行车组件的方法来解决上述的问题，所以，一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法被开发或者改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于增材制造的拓扑优化自行车组件设计方法以解决所述问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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。

优选的是，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。