空间框架构造套件和空间框架制造技术

本发明专利技术涉及空间框架构造套件和空间框架。所述空间框架构造套件包括多个增材制造的空间框架杆和多个连接器，所述空间框架基于通过以下步骤所产生的桁架模型：以几何边界表示法构造载荷应力图；在设计空间中定义多个附接点和载荷施加点；在设计空间中创建附接点与载荷施加之间的互连线的起始网络；将载荷施加因素分配给互连线的起始网络的每条线；产生多个潜在空间框架设计；评价多个潜在空间框架设计中的每个关于多个预先确定的优化参数的性能得分；将性能得分高于预先确定的性能阈值的潜在空间框架设计的选择参数组合起来；以及重复产生潜在空间框架设计和基于组合的选择参数评价潜在空间框架设计的步骤。

【技术实现步骤摘要】
空间框架构造套件和空间框架
本专利技术涉及空间框架构造套件和用计算机实现方法设计的空间框架构造套件构造的空间框架。
技术介绍
工程施工(例如，在航空、土木工程或建筑中)的梁、桁条和框架被设计成承受垂直于各个梁的延伸方向作用的弯曲力。传统梁可以作为与边缘的凸缘以及跨在凸缘之间的腹板作为整体部件实现。或者，可在平行延伸的纵向支撑条之间实现刀具滚花的支柱(cuttermilledstruts)，而不是腹板，由此导致梁重量下降，因为形成梁所用的材料更少了。为了减轻飞机上的重量，已经做了若干尝试来优化飞机结构组件的设计。例如，文献WO2014/111707A1公开了一种设计物体的方法，包括对与该物体对应的数字模型就已经确定在使用该物体的过程中经受相对较高的应力的部分进行分析。使用这些高应力区域来确定物体的哪部分要采用增材制造(AM)工艺生产以及物体的哪部分要采用不同的合适工艺例如加工工艺生产。文献DE102010064100A1公开了用于分隔飞机的机舱区域的隔断壁，其具有夹心状表面结构。根据预定的设计标准设计结构物体的结构拓扑优化法例如已经公开在了文献WO2007/076357A2中。文献US2009/0224103A1公开了飞机上的隔断壁，其包括由单独形成的系统组件构成的支撑元件和由该支撑元件支撑的用于形成区域成形的隔断壁的张力安装材料。然而，需要在保持机械稳定性和有效承载应力引起的载荷的能力的同时具有更小的整体重量的飞机结构组件。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目是提供用于优化飞机结构组件的结构拓扑的方案，以减小建造所述组件所需的材料的量。该目的是通过具有权利要求1的特征的空间框架构造套件、具有权利要求3的特征的空间框架和具有权利要求4的特征的飞机结构组件实现的。本专利技术公开的第一方面涉及用于空间框架设计的计算机实现方法，该方法包括以下步骤：以设计空间的几何边界表示法构造载荷应力图；在设计空间中定义多个附接点和载荷施加点；在设计空间中创建多个附接点和载荷施加点中的每两个之间的互连线的起始网络；基于载荷应力图的值将载荷施加因素分配给互连线的起始网络的每条线；通过根据可变选择参数选择性地挑选每个潜在空间框架设计的互连线的起始网络的不同线子集产生多个潜在空间框架设计；评价多个潜在空间框架设计中的每个相对于多个预先确定的优化参数的性能得分；将性能得分高于预先确定的性能阈值的潜在空间框架设计的选择参数组合起来；以及重复产生潜在空间框架设计和基于组合的选择参数评价潜在空间框架设计的步骤。根据本专利技术公开的第二方面，空间框架构造套件包括：根据本专利技术公开的第一方面设计的多个空间框架杆和用于将多个空间框架杆连接到空间框架上的多个连接器。根据本专利技术公开的第三方面，空间框架包括根据本专利技术公开的第一方面设计的多个空间框架杆。根据本专利技术公开的第四方面，飞机结构组件包括：具有承重的空间框架杆的空间框架结构的基本为平面的芯板，其中每个空间框架杆是根据本专利技术公开的第一方面设计的。根据本专利技术公开的第五方面，计算机可读存储介质包括计算机可执行指令，当在数据处理装置上执行时，该计算机可执行指令使该数据处理装置执行根据本专利技术公开的第一方面的计算机实现方法。起初，对于空间框架设计，使用两阶段进化寻路算法(two-stagedevolutionaryroutefindingalgorithm)来构造朝高机械稳定性和高效载荷传递和分布优化的重量轻的空间框架结构。在第一阶段，采用用于启发式确定遵循最显著的载荷路径的宏观空间框架模型的自适应动力学方案。该第一阶段的自适应动力学方案源自变形虫生物体多头绒泡菌(Physarumpolycephalum)的运输网络的自适应动力学。优化引擎改变预定参数模型的输入值，产生各种空间框架设计选择，并在用简化并因此快速运行的有限元(FE)模型进行性能评价后删除表现最差的设计选择。将幸存设计的初始参数用作表现更好的设计的进化的起始点，从而靠近作为算法的停止准则的帕累托边界。然后，在第二阶段，在第一阶段中确定的每个空间框架构件的微结构利用迭代地在每个空间框架构件中在主应力方向上增加构件材料的生长算法进化。该算法模仿哺乳动物体内的骨和组织生长的方式。最大应变失效可在此用作迭代优化循环的停止准则。将再生设计的空间框架结构整合到周围托架中，该周围托架构成结构组件的外观并使其适应飞机上的周围结构。再生的设计方法有利地评价大量为低重量和小结构变形二者优化的设计选择。因此，与传统蜂窝芯夹心结构相比，该方法在保持相同结构性能的同时能够达到减重高达45％。然后，将设计的模型作为以增材制造工艺制造空间框架构件的基础。为了更大的灵活性，可以将空间框架构件划分为具有适当接头机构的子组件。特别有利的是，在设计空间框架的组件(特别是空间框架杆和/或伴随的连接物)时随着采用任何种类的层制造技术可以同时额外地降低成本、重量、产品设计至实际投产间的时间、部件数量以及制造复杂性。选择参数可以选自总体线密度、局部线密度和线长度的组。计算机实现方法还可以包括：在设计空间中在一条互连线上的节点与多个附接点和载荷施加点中的一个之间或在相邻的互连线上的两个节点之间在互连线的起始网络中加增强线。在某些实施例中，选择参数然后可以额外地选自互连线上的节点位置与增强线的长度的组。评价多个潜在空间框架设计中的每个的性能得分可以使用有限元分析进行。可以使潜在空间框架设计聚集在多变量优化参数图中，以找出接近帕累托边界的空间框架设计。重复产生潜在空间框架设计和评价潜在空间框架设计的步骤可以在随后产生的潜在空间框架设计的性能得分的增量降至低于终止阈值时终止。计算机实现方法可以进一步包括：基于载荷应力图的对应值针对潜在空间框架设计中所选择的潜在空间框架设计的线网络中的每条线产生具有微观结构构架的桁架模型。在某些具体的实施例中，该桁架模型然后可以用作增材制造AM工艺的输入几何结构，用于制造多个空间框架杆。在某些实施例中，可将将多个空间框架杆细分成多个具有预先确定的最大长度的部分空间框架杆。根据空间框架构造套件的实施方式，空间框架杆中的至少第一空间框架杆包括与成角度的销(angledpin)在第一空间框架杆的端部处一体形成的成角度的销连接器，所述成角度的销与第一空间框架杆的端面间隔开并且平行于其突出，并且其中空间框架杆中的至少第二空间框架杆包括与作为第一空间框架杆的成角度的销的插座的成角度的管(angledtube)在第二空间框架杆的端部处一体形成的成角度的插座连接器，所述成角度的管与第二空间框架杆的端面间隔开并且平行于其突出。附图说明将参照附图中描绘的示例性实施方式更详细地说明本专利技术。包括用于提供对本专利技术进一步理解的附图，这些附图并入本说明书并构成本说明书的一部分。附图举例说明了本专利技术的实施方式，并与附图说明一起用于说明本专利技术的原理。本专利技术的其他实施方式和本专利技术的预期优点将容易理解，因为通过参照下面更详细的说明它们变得更好理解。附图的元件不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示对应的类似部件。图1示意性举例说明了根据本专利技术的实施方式的飞机的隔断件的组件的分解视图。图2示意性举例说明了根据本专利技术的另一实施方式的图1中的隔断件的芯板的主视图。图3示意性举例说明了根据本专利技术的另一实施方式的图本文档来自技高网...

【技术保护点】
空间框架构造套件，包括：多个增材制造的空间框架杆(R)，用于构造空间框架(T1)；和多个连接器，用于将多个空间框架杆(R)连接到空间框架(T1)上，所述空间框架(T1)基于通过以下步骤所产生的桁架模型：利用实体有限元分析模型以设计空间的几何边界表示法构造载荷应力图(M1)；在设计空间中定义多个附接点(A)和载荷施加点(L)(M2)；在设计空间中创建(M3)多个附接点(A)和载荷施加点(L)中的每两个之间的互连线的起始网络；将载荷应力图的载荷施加因素分配给互连线的起始网络的每条线(M4)；通过根据可变选择参数组选择性地挑选每个潜在空间框架设计的互连线的起始网络的不同线子集产生多个潜在空间框架设计(M5)；评价多个潜在空间框架设计中的每个的性能得分(M6)；将性能得分高于预先确定的性能阈值的潜在空间框架设计的选择参数组合成为选择参数组(M7)；重复产生潜在空间框架设计(M5)和基于组合的选择参数组评价潜在空间框架设计(M6)的步骤；以及基于载荷应力图的对应值，针对潜在空间框架设计中所选择的一个潜在空间框架设计的线网络中的每条线产生具有微观结构构架(T2)的桁架模型(M8)。

【技术特征摘要】
2015.11.30 EP 15197092.8;2015.11.30 US 14/954,0521.空间框架构造套件，包括：多个增材制造的空间框架杆(R)，用于构造空间框架(T1)；和多个连接器，用于将多个空间框架杆(R)连接到空间框架(T1)上，所述空间框架(T1)基于通过以下步骤所产生的桁架模型：利用实体有限元分析模型以设计空间的几何边界表示法构造载荷应力图(M1)；在设计空间中定义多个附接点(A)和载荷施加点(L)(M2)；在设计空间中创建(M3)多个附接点(A)和载荷施加点(L)中的每两个之间的互连线的起始网络；将载荷应力图的载荷施加因素分配给互连线的起始网络的每条线(M4)；通过根据可变选择参数组选择性地挑选每个潜在空间框架设计的互连线的起始网络的不同线子集产生多个潜在空间框架设计(M5)；评价多个潜在空间框架设计中的每个的性能得分(M6)；将性能得分高于预先确定的性能阈值的潜在空间框架设计的选择参数组合成为选择参数组(M7)；重复产生潜在空间框架设计(M5)和基于组合的选择参数组评价潜在空间框架设计(M6)的步骤；以及基于载荷应力图的对应值，针对潜在空间框架设计中所选择的一个潜在空间框架设计的线网络中的每条线产生具有微观结构构架(T2)的桁架模型(M8)。2.根据权利要求1所述的空间框架构造套件，其中，空间框架杆(R)中的至少第一空间框架杆(R)包括与成角度的销在第一空间框架杆(R)的端部处一体形成的成角度的销连接器(RJ1)，所述成角度的销与第一空间框架杆(R)的端面间隔开并且平行于其突出，并且其中空间框架杆(R)中的至少第二空间框架杆(R)包括与作为第一空间框架杆(R)的成角度的销的插座的成角度的管在第二空间框架杆(R)的端部处一体形成的成角度的插座连接器(RJ2)，所述成角度的管与第二空间框架杆(R)的端面间隔开并且平行于其突出。3.空间框架(T1)，包括：多个增材制造的空间框架杆(R)，所述空间框架(T1)基于通过以下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴斯蒂安·舍费尔，马夏尔·纳班凯莱·索姆达，戴维·本杰明，丹尼尔·纳吉，戴蒙·劳，戴尔·赵，
申请(专利权)人：空中客车运营有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE