[发明专利]一种基于模态频率约束的结构件制备方法

说明书

本发明涉及一种基于模态频率约束的结构件制备方法，属于机械加工技术领域，解决了现有技术同时保证模态频率优化和结构轻量化的问题。该方法包括如下步骤：建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率；对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析，获得优材料分布，建立结构件的轻量化模型；对上述轻量化模型进行模态分析，验证模态频率是否满足初始模态频率限制；如果不满足，对所述轻量化模型进行重构或光顺化，再次验证，直到满足；再次验证模型是否满足预设质量要求；如果不满足，对轻量化模型进行局部点阵填充，再次验证，直到满足预设质量要求，获得设计好的结构件的最终模型；制备结构件。

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种基于模态频率约束的结构件制备方法。

背景技术

模态频率表征弹性结构固有的、整体的特性。当弹性结构件的结构、形状和所处的工作条件确定时，其模态频率也唯一确定。一般地，结构件一阶模态频率应尽可能高，以避免在工作过程中发生共振。因此，在航空航天、汽车等领域，常常对结构件一阶模态频率具有设计要求。

与此同时，随着机械设计与制造技术发展，结构件设计对结构轻量化的需求也越来越高，将结构件在满足使用功能的前提下进行轻量化设计，能够有效减小产品的质量，提高产品的使用性能，特别是对于航空航天领域，结构件质量的减小有助于提高飞行器的行程、速度等核心技术指标，具有重要意义。

对于飞行器仪器支架、座椅骨架等结构件，不仅对模态频率有严格的要求，同时又需要尽可能减重以提升飞行器整体性能。现有技术一般是直接按照固有频率要求设计出的结构件，在结构轻量化上仍有很大的空间。目前，缺少一种兼顾模态频率优化和结构轻量化的结构件的制备方法。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于模态频率约束的结构件制备方法，用以解决现有技术无法同时保证模态频率优化和结构轻量化的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于模态频率约束的结构件制备方法，包括如下步骤：

建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率；

对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析，根据拓扑优化分析获得的最优材料分布，建立结构件的轻量化模型；

对上述轻量化模型进行模态分析，验证模态分析得出的模态频率是否满足初始模态频率限制；如果不满足，对所述轻量化模型进行重构或光顺化，再次验证，直到满足初始模态频率限制；

再次验证满足初始模态频率限制后的3D模型是否满足预设质量要求；如果不满足，对轻量化模型进行局部点阵填充，再次验证，直到满足预设质量要求，获得设计好的结构件的最终模型；

根据结构件的最终模型生成机械加工方案，并制备得到结构件。

上述技术方案的有益效果如下：可应用于各种支架类、散热器类等对零件固有频率有一定要求，同时需要尽可能减重的结构件(包括零部件)设计与制造过程。在保证结构件设计功能性和制造可行性的同时，实现了最大限度轻量化。

基于上述方法的进一步改进，所述拓扑优化分析的约束为

式中，X_i表示结构件表面第i点的坐标，X_iL、X_iU分别为该点的下限和上限，x、y、z为该点的3D坐标；W表示结构件的质量，ρ表示结构件密度，K表示结构件的材料刚度，E表示结构件的弹性模量；T表示结构件的模态频率；T_s表示结构件的初始模态频率，σ表示结构件局部应力最大值；σ_s表示结构件允许的最大应力，f₁( )、f₂( )、f₃( )表示不同的函数。