用于增材制造中多机床选用与结构拓扑优化同步设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于增材制造中多机床选用与结构拓扑优化同步设计方法，能够同步的进行结构拓扑优化设计和机床选用，得到最优加工的机床和产品结构。其技术方案为：包括以下步骤：获取备选机床的加工性能参数，确定模型设计域和边界条件；选取结构拓扑优化方法，分别确定各备选机床的目标函数；以两台备选机床为一组，确定每组机床的整体目标函数，并确定整体目标函数对设计参数x、y的敏度；求解设计参数x，同时更新设计参数y值；判断结果是否收敛，当结果不收敛时上述步骤；当结果收敛时，继续下一步；从每组备选机床中去掉结果较差的，对所有结果较好的备选机床进行比较，得到最优设计结构和最合适的制造的机床。

Synchronous design method for multi machine tool selection and structural topology optimization in additive manufacturing

【技术实现步骤摘要】
用于增材制造中多机床选用与结构拓扑优化同步设计方法
本专利技术涉及增材制造领域，尤其涉及一种用于增材制造中多机床选用与结构拓扑优化同步设计方法。
技术介绍
目前增材制造机床，尤其是工业级的增材制造机床价格昂贵，加工周期长等特点，使得其多应用于具有高附加值和复杂形貌产品的航空航天等产业。这些产品的特点就是批量很小或者是单件定制。伴随着工业互联网技术的发展，充分利用分散在各个空间地理位置的高端高性能3D打印机床特别是金属3D打印机床，显得尤为重要。尤其是一些高端的3D打印机床的闲置，是对其产能和价值的巨大浪费。对于如何选用不同的3D打印机床应对设计要求，传统的方法是利用人工经验和机床加工性能指标进行选择。这种方法无法适应工业互联网的发展，也无法有效的应对大量的备选机床、机床设备参数和复杂空间地理分布情况。随着工业互联网的实现，产品设计和生产在不同空间地理位置。对于产品的生产机床选择，传统上的人工依靠经验进行选择将无法适应新趋势。现阶段比较前沿的方法是通过依靠“大数据”和智能算法进行分析，虽具有前景但仍具有一定的局限性。比如说数据的获取，在无法获取充分的数据量的前提下，无法实现对模型的有效训练，获得正确的学习结果。尤其是一些定制化的产品或是单件生产的产品，特别是航空航天领域的产品，很难有足够多的样本提供智能算法进行学习，模型建立也就随之产生困难。结构拓扑优化不同于传统的尺寸优化、形状优化方法，而是在特定的边界条件下，直接通过结构拓扑优化算法产生结构设计。特别在近些年来，结构拓扑优化算法得到了快速的发展，诸如TheHomogenizationMethod,SolidIsotropicMaterialwithPenalizationMethod(SIMP),LevelSetMethod,EvolutionaryStructuralOptimizationMethod(ESO),MovingMorphableComponentsMethod(MMC)产生了依靠传统设计理论和经验所达不到的设计方案与效果。由结构拓扑优化方法计算出的模型数据可经过转换被增材制造机床使用。然而由于其设计形状的复杂程度很高，使得传统减材加工(车、铣、钻、扩等)方法难以实现。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于增材制造中多机床选用与结构拓扑优化同步设计方法，能够同步的进行结构拓扑优化设计和机床选用，得到最优加工的机床方案和产品结构。本专利技术采用下述技术方案：用于增材制造中多机床选用与结构拓扑优化同步设计方法，包括以下步骤：步骤(1)获取备选机床的加工性能参数，确定结构拓扑优化方法、模型设计域和边界条件；步骤(2)确定各备选机床的目标函数；步骤(3)以两台备选机床为一组，确定每组机床的整体目标函数，并确定整体目标函数对设计参数x、y的敏度；步骤(4)带入求解器求解设计参数x，同时更新设计参数y值；步骤(5)判断结果是否收敛，当结果不收敛时重复步骤(4)；当结果收敛时，继续下一步；步骤(6)从每组备选机床中去掉结果较差的，对所有结果较好的备选机床进行比较，得到最优设计结构和最合适的制造的机床。进一步的，所述整体目标函数为：min：obj(x)＝yqobj1(x)+(1-y)qobj2(x)s.t.hi(x)＝0，i＝1...mgi(x)≤0，j＝1...n0≤y≤1其中，obj1(x)和obj2(x)为每组备选机床的两台机床受限于自身加工性能和约束条件的目标值，q为罚值，m、n表示约束数目。进一步的，y为决定因素，选定y的初始值，当y最终更新为1时，选择与obj1(x)对应的机床；当y最终更新为0时，选择与obj2(x)对应的机床。进一步的，y的初始值选定为0.5。进一步的，罚值q的范围为1.2～1.4。进一步的，所述敏度为目标值对设计参数的导数。进一步的，设计参数y以固定的步长进行更新，其方向由符号函数决定。进一步的，所述符号函数在迭代过程中不能等于0，采用取小量代替。进一步的，更新的设计参数ynew表示为：与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术能够同步的进行结构拓扑优化设计和机床选用，得到最优加工的机床和产品结构；(2)本专利技术利用结构拓扑优化方法根据施加在特定的设计域的约束条件，求解出最优的结构，能够有效的应对复杂的机床分布情况。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术实施例一的流程图；图2-图3为本专利技术实施例二中使用不同大小的单元(E1，E2)表示两台机床不同的设计域的示意图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的机床或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利技术的具体含义。实施例一：下面结合附图1对本专利技术进行详细说明，具体的，结构如下：本实施例提供一种用于增材制造中多机床选用与结构拓扑优化同步设计方法，利用结构拓扑优化方法，根据施加在特定的设计域的约束条件，求解出最优的结构；具体包括以下步骤：步骤(1)获取备选机床的加工性能参数，确定结构拓扑优化方法、模型设计域和边界条件。步骤(2)确定各备选机床的目标函数。步骤(3)以两台备选机床为一组，确定每组机床的整体目标函数，并确定整体目标函数对设计参数x、y的敏度。所述整体目标函数为：min：obj(x)＝yqobj1(x)+(1-y)qobj2(x)s.t.hi(x)＝0，i＝1...mgi(x)≤0，j＝1...n0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于增材制造中多机床选用与结构拓扑优化同步设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤(1)获取备选机床的加工性能参数，确定结构拓扑优化方法、模型设计域和边界条件；/n步骤(2)确定各备选机床的目标函数；/n步骤(3)以两台备选机床为一组，确定每组机床的整体目标函数，并确定整体目标函数对设计参数x、y的敏度；/n步骤(4)带入求解器求解设计参数x，同时更新设计参数y值；/n步骤(5)判断结果是否收敛，当结果不收敛时重复步骤(4)；当结果收敛时，继续下一步；/n步骤(6)从每组备选机床中去掉结果较差的，对所有结果较好的备选机床进行比较，得到最优设计结构和最合适的制造的机床。/n

【技术特征摘要】
1.用于增材制造中多机床选用与结构拓扑优化同步设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)获取备选机床的加工性能参数，确定结构拓扑优化方法、模型设计域和边界条件；
步骤(2)确定各备选机床的目标函数；
步骤(3)以两台备选机床为一组，确定每组机床的整体目标函数，并确定整体目标函数对设计参数x、y的敏度；
步骤(4)带入求解器求解设计参数x，同时更新设计参数y值；
步骤(5)判断结果是否收敛，当结果不收敛时重复步骤(4)；当结果收敛时，继续下一步；
步骤(6)从每组备选机床中去掉结果较差的，对所有结果较好的备选机床进行比较，得到最优设计结构和最合适的制造的机床。


2.根据权利要求1所述的用于增材制造中多机床选用与结构拓扑优化同步设计方法，其特征在于，所述整体目标函数为：
min：obj(x)＝yqobj1(x)+(1-y)qobj2(x)
e.t.hi(x)＝0，i＝1...m
gj(x)≤0，j＝1...n
0≤y≤1
其中，obj1(x)和obj2(x)为每组备选机床的两台机床受限于自身加工性能和约束条件的目标值，q为罚值，m、n表示约束数目。


3.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘继凯，黄嘉奇，颜静静，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37