[发明专利]一种应用于增材制造的结构拓扑优化设计方法

说明书

本发明公开了一种应用于增材制造的结构拓扑优化设计方法，步骤为：利用有限元仿真软件进行物理建模并进行求解，求解完成后，获取有限元计算脚本文件，运行脚本文件，保存单元优化目标值；引入节点灵敏度计算方法，计算各节点单元优化目标值对节点的影响系数；将单元优化目标值变换为含有x(i)的函数，将单元优化目标值转换为节点优化目标值；引入一种自调节的灵敏度过滤系数，通过反复迭代分析，驱动结构设计目标参数逐步向优化目标快速逼近；当目标参数达到优化目标时，绘制x(i)0的水平集函数输出结构最优拓扑。本发明参数设置简单、人工干预少，方便设计人员掌握；一体化和智能化的设计模式，降低了人工成本，提高了设计效率。

技术领域

本发明涉及一种应用于增材制造的结构拓扑优化设计方法。

背景技术

高速发展的科技生产水平要求更高的能源利用效率、更低的工程成本开支以及更好的结构性能设计。对于复杂的外形形状、严格的尺寸精度以及力学性能要求，其拓扑构型和功能特性的耦合规律复杂的结构进行设计时，传统的设计方法依赖于设计人员的工程经验，往往无法实现结构的最优性能。因此，深入研究复杂受力结构成形设计方法，对提高材料利用率、改善结构力学性能、简化后期加工工序以及降低锻造能耗等，具有重要的工程意义。

结构拓扑优化设计技术作为一种全新的设计理念，其是一种在满足给定的载荷情况、约束条件和设计目标下，通过寻找设计域内材料的最优分布规律，获得具有满足最优目标性能的新型结构概念设计。增材制造技术因其脱离模具成型工艺，具备更大的制造自由度，为新颖结构的制造成型提供了可能。目前，利用增材制造技术对拓扑优化得到的结构进行加工成型成为了工业界的发展趋势。但是，传统拓扑优化方法存在计算效率低、边界不清晰、棋盘格式现象突出及材料不连续等现象，导致工程设计人员对优化结果需要进行必要地处理，才能得到满足设计规范和施工规定的实际工程结构。人工处理后的设计模型在增材制造过程中需要添加大量的支撑结构件，带来了材料和加工时间的浪费、模型表面的损伤。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种算法简单、效率高的应用于增材制造的结构拓扑优化设计方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种应用于增材制造的结构拓扑优化设计方法，包括以下步骤：

1)利用有限元仿真软件对满足边界和荷载要求的初始设计结构进行适用于增材制造的物理建模，设置材料参数，添加边界条件及荷载，选用有限元网格将结构网格化，选择求解器进行求解；求解完成后，获取有限元计算脚本文件，并在脚本文件开头引入单元密度插值函数x(i)，将单元材料弹性模量变换为含有x(i)的函数，运行脚本文件，保存单元优化目标值；

2)引入节点灵敏度计算方法，提取单元节点编号，计算各节点在半径为rmin范围内单元优化目标值对节点的影响系数；将单元优化目标值变换为含有x(i)的函数，组集节点影响系数向量和单元目标值向量，并将单元优化目标值转换为节点优化目标值；

3)获得单元优化目标值取值的平均值，并与优化迭代系数组合，建立节点优化迭代进化值；对通过节点应变值与进化值得对比，更新x(i)的取值；

4)在有限元迭代计算过程中，优化迭代系数根据上一迭代步中x(i)＝0的计算情况，通过进化率自适应的调节优化迭代系数，使优化过程达优化目标的同时，快速收敛，从而提高优化效率；结构达到优化目标时，程序自动停止计算，并生成x(i)0的结构最优拓扑；将结构的最优拓扑导入有限元软件生成适用于增材制造的物理模型，完成结构优化设计。

上述应用于增材制造的结构拓扑优化设计方法，所述步骤1)中，在有限元多物理场耦合仿真软件输出脚本文件的基础上，将设计域内单元材料的弹性模量设置为关于x(i)的函数，设计方程如下：

E＝(x(i)+(1-x(i)×10^-10))×E0 (1)

式(1)中，E0为结构材料弹性模量，优化计算前x(i)＝1；