[发明专利]一种面向增材制造的磁-结构多物理场拓扑优化设计方法

说明书

本申请公开了一种面向增材制造的磁‑结构多物理场拓扑优化设计方法，包括：步骤10，结合待打印物体的单元打印密度，基于结构场和磁场材料插值模型和有限元分析方法，分析获得结构位移矢量和磁场矢量，据此建立目标函数，并结合体积约束条件，建立磁‑结构多物理场拓扑优化模型；步骤20，根据磁‑结构多物理拓扑优化模型，结合目标函数和约束对单元设计密度灵敏度，通过MMA算法对单元设计密度空间进行迭代更新，当判定磁‑结构多物理场拓扑优化模型中目标函数的相对误差小于预设阈值时，根据更新后的单元设计密度空间对待打印物体进行打印。通过本申请中的技术方案，在兼顾磁场和结构场性能的同时，实现了结构的自支撑打印，避免了支撑材料的使用。

技术领域

本申请涉及工程结构与分析的技术领域，具体而言，涉及一种面向增材制造的磁-结构多物理场拓扑优化设计方法。

背景技术

近年来，伴随着装备自动化、智能化、轻量化的发展，对以新能源汽车电机和电磁执行器等为代表的部件的集成设计要求越来越高，这些部件既要满足磁场的性能要求，同时还要满足刚度和强度等机械性能要求。通过开展磁-结构多物理场的拓扑优化设计，使得在兼顾轻量化下有效提升磁场和结构场性能。

增材制造技术的发展，对磁-结构多物理场拓扑设计构型，提供了制造保证。尽管增材制造相对于减材或等材制造而言，大大提高了设计和制造自由度。

然而仍存在一些制造性约束，如当拓扑构型超过最大悬挂约束时，需要添加支撑材料才能进行打印加工，导致增加了不必要的材料成本和后处理成本。

文献“Garibaldi M,Gerada C,Ashcroft I A.Free-Form Design of ElectricalMachine Rotor Cores for Production Using Additive Manufacturing.Journal ofMechanical Design.2019,141(7):1-13”介绍了一种面向磁-机械场耦合的拓扑优化方法，并使用这种方法对电机转子进行设计。该文章中拓扑优化设计的目标函数是机械场柔度最小和转子磁场能量最小，约束条件是体积分数，最终得到的转子结构大大提升了转矩性能的同时减小了转子质量。但在考虑多物理场时没有考虑增材制造性约束，存在增材制造过程中需要用到支撑材料的问题，增加了材料成本和后处理成本。

文献“Langelaar M.An additive manufacturing filter for topologyoptimization of print-ready designs.Structural and MultidisciplinaryOptimization,2017,55(3):871–83.”介绍了一种嵌入到SIMP方法中的增材制造过滤器，能够通过映射函数将蓝图密度转换为打印密度，最终得到的构型不违反45°的最大悬挂约束，所以能够自支撑打印。该工作主要考虑面向增材制造的机械场性能的拓扑优化设计，但其灵敏度优化运算较为复杂，对计算机硬件性能要求较高。

发明内容

本申请的目的在于：提高复杂装备磁-结构多物理场拓扑优化构型的增材制造性，在拓扑优化模型构建中充分考虑无支撑等增材制造约束。将增材制造约束嵌入磁-结构拓扑优化设计模型中，以实现结构的自支撑打印，提高结构的性能，减轻结构的质量，减少结构的制造成本。可以在兼顾轻量化的同时，有效提升磁场和机械场性能。

本申请的技术方案是：提供了一种面向增材制造的磁-结构多物理场拓扑优化设计方法，该方法包括：步骤10，将待打印物体的单元打印密度作为插值，计算整体位移向量和整体磁矢量势向量，并根据整体位移向量和整体磁矢量势向量，生成约束条件，建立磁-结构多物理场拓扑优化模型，其中，单元打印密度由单元设计密度空间确定；步骤20，根据灵敏度和磁-结构多物理场拓扑优化模型，对单元设计密度空间进行迭代更新，当判定磁-结构多物理场拓扑优化模型中目标函数的相对误差小于预设阈值时，根据更新后的单元设计密度空间对待打印物体进行打印。