[发明专利]一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法

说明书

一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法，先建立连续纤维复合材料拓扑优化模型，再建立伪密度与纤维含量的映射关系，定义材料属性，然后建立有限元分析模型，计算目标函数及其灵敏度，再优化更新设计变量，判断迭代是否满足收敛条件，若不满足收敛条件则继续迭代，若满足则停止循环得到最终拓扑优化结构；最后完成3D打印样件制备；本发明在已有的连续纤维角度拓扑优化算法基础上，采用将结构伪密度与纤维含量一一对应的转换方法，实现同时调控单元密度、纤维角度、纤维含量三个变量，进而使连续纤维增强复材拥有其最优的结构拓扑和与之相适应的最适合的材料分布。

技术领域

本发明涉及连续纤维增强复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法。

背景技术

纤维增强复合材料作为一种各向异性材料，与金属合金材料相比，具有高比强度、高比模量、可设计强及多功能融合等优点，被广泛应用于航空航天、高速列车等领域，成为制备高性能结构的先进材料之一。在航空航天领域中，复合材料具有的高比强度、高比模量的特点，在降低飞机的整体重量，进而降低飞机的燃油消耗，同时降低碳排放的能力上大大优于传统的金属材料，是航空航天领域的理想材料，对于实现航空航天领域方面的结构高性能化、轻量化、高使用性能以及成本检索等具有至关重要的作用，是航天航空等领域发展的重要方向。为了实现上述需求，有学者提出变刚度层合板，即连续纤维增强复合材料中每个单层中的纤维方向、纤维含量等属性可变的层合板，以更好地提高结构的刚度、强度等性能；同时也有很多学者追求结构构型设计，通过拓扑优化等结构设计方法在保证性能的同时达到轻量化的效果。

然而，单方面进行材料研究并不能满足完全航空航天的严苛要求，纯粹的创新结构构型在近几年的研究中也显示一定局限性。因而结构 /材料多尺度并行设计作为新的设计理念，即在宏观结构进行拓扑结构设计，同时在微观材料进行纤维角度与纤维含量设计理念，逐渐引起了学者的关注和重视。不仅如此，宏观拓扑与微观材料的多尺度一体化设计，为进一步开展结构功能一体化设计和多功能协同设计提供了更广阔的发展空间和可能性，未来更高效的设计势必是考虑宏观拓扑和微观材料选择的设计。因此，考虑结构与材料的耦合，基于宏观结构与微观材料多尺度并行设计的理念实现复合材料结构的优化与制造，成为实现航空航天运载装备高性能与轻量化设计的新途径。

然而，受制于设计手段与制造工艺的限制，连续纤维复材的结构 /材料并行设计方法与自动化制造技术长时间处于探索阶段，主要缺点在于：

(1)尽管已有较为成熟的连续纤维角度拓扑优化求解算法，但是该算法并未将纤维含量作为设计变量求解。同时已有的将结构密度与纤维角度、纤维含量同时作为设计变量的求解算法，不仅耗费很大的时间成本，而且难以达到全局最优解。

(2)拓扑优化结果多呈树枝状结构，目前少有针对连续纤维增强复合材料拓扑优化结果的路径规划方法。并且受制于制造手段，针对连续纤维增强复材的拓扑优化结果无法被制造应用，导致设计方法无法得到实验验证。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法，在已有的连续纤维角度拓扑优化算法基础上，采用将结构伪密度与纤维含量一一对应的转换方法，实现同时调控单元密度、纤维角度、纤维含量三个变量，进而使连续纤维增强复材拥有其最优的结构拓扑和与之相适应的最适合的材料分布。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法，包括以下步骤：

1)建立连续纤维复合材料拓扑优化模型：根据优化目标，确定设计域，并将设计域离散为n个有限元单元；同时初始化设计变量，定义ρ_i为第i个单元对应的伪密度，θ_i为第i个单元对应的纤维角度，将单元伪密度ρ_i和纤维角度θ_i同时作为设计变量；