基于形状特征的多尺度结构材料一体化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于形状特征的多尺度结构材料一体化设计方法，用于解决现有结构材料一体化设计方法实用性差的技术问题。技术方案是将形状特征作为宏观和微观设计的基本元素，采用规则四边形有限元网格，通过计算特征结构的水平集函数描述结构外形。通过均匀化方法将微观结构的材料属性与宏观结构单元相关联，建立基于固定网格的多尺度力学模型。选取形状特征的形状位置参数作为设计变量，实现宏观与微观拓扑优化设计。该方法将宏观结构设计与微结构设计相关联，采用水平集方法对模型进行描述，可因地制宜的获得多种微结构形式，可获得边界光滑、显式包含特征信息的优化结果，可以与现有计算机辅助设计软件无缝集成，实用性好。

【技术实现步骤摘要】
基于形状特征的多尺度结构材料一体化设计方法
本专利技术涉及一种结构材料一体化设计方法，特别涉及一种基于形状特征的多尺度结构材料一体化设计方法。
技术介绍
随着3D打印技术的不断成熟，各向异性材料和微结构的出现让结构中材料性能的优化成为可能。为了追求零部件的高性能，传统的形状拓扑优化在优化结构整体外形的同时越来越多的关注材料微观结构的优化，3D打印技术使自主设计微结构的使用成为可能。因此，利用微结构在某一特定方向工作的特性使结构性能发挥至极致。这种对于宏观和微观尺度同时优化的结构材料一体化设计方法相比于传统均质材料的优化设计方法能够显著提高结构力学性能、减轻结构重量。文献“Multiscalestructuraltopologyoptimizationwithanapproximateconstitutivemodelforlocalmaterialmicrostructure.LiangXia,PiotrBreitkopf,Comput.MethodsAppl.Mech.Engrg.286(2015)147–167”公开了一种基于单元密度理论和简化模型的结构材料一体化设计方法。该方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于形状特征的多尺度结构材料一体化设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、确定微结构构型的数目M，每个微结构单胞的尺寸lx,ly，和微结构特征的个数n，位置xc,yc,角度α，长度l和宽度w；进而确定描述每个微结构初始构型的水平集函数φi和整体微结构的水平集函数φ；水平集函数φ,φi与xc,yc,α，l和w满足下面关系

【技术特征摘要】
1.一种基于形状特征的多尺度结构材料一体化设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、确定微结构构型的数目M，每个微结构单胞的尺寸lx,ly，和微结构特征的个数n，位置xc,yc,角度α，长度l和宽度w；进而确定描述每个微结构初始构型的水平集函数φi和整体微结构的水平集函数φ；水平集函数φ,φi与xc,yc,α，l和w满足下面关系步骤二、计算每个微结构构型的等效材料矩阵DH，由公式(2)算出式中，D11H～D33H为等效材料矩阵的9个分量，Q11～Q33是不同等效工况下微结构单元应变能之和；分别令i,j取1，2，3，Qij由公式(3)计算得出式中，ke与ue分别是微结构胞元内的单元刚度矩阵和位移向量，由公式(4)计算式中，B为单元应变矩阵，Ωe为单元区域，D0为均质材料的材料矩阵，α为一极小量；将微结构胞元的节点分为4组，求解有限元方程

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫红，徐钊，朱继宏，周莹，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61