一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构优化设计方法技术

本发明专利技术提出了一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，在设计域内布置一定数目的孔洞特征或实体特征，通过特征的移动、变形、相交和融合等行为来驱动结构的拓扑布局演变。在演变过程中，识别位于悬空部分的结构边界，对不满足角度条件的边界，量化其偏离程度并进行约束。本发明专利技术可以识别不规则边界和内部非设计域孔洞等，实现复杂结构的自支撑设计，适用于复杂的工程实际。此外，本发明专利技术适用于任意孔洞特征或实体特征的自支撑结构设计，并进一步可以对结构拓扑和打印方向同步优化，获得最优打印方向下的自支撑结构。

An optimization design method of self supporting structure considering the printing direction of additive manufacturing

【技术实现步骤摘要】
一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构优化设计方法
本专利技术涉及结构优化
，特别涉及一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构优化设计方法。
技术介绍
增材制造提供了一种逐层堆叠的方式，直接从原材料构造具有复杂几何结构的物体。对于增材制造常见的熔融沉积成型、光固化立体成型和激光选区熔化等成型方式，打印过程中需在结构悬空部分添加额外的支撑以防止变形和塌陷，打印完成后手动去除支撑得到最终结构，此外不同打印方向所需的支撑体积不同。这些支撑既增加了材料和人力的消耗，也严重破坏了原打印结构的表面质量，影响表面完整性。因此在设计阶段充分考虑结构的自支撑需求，并选择最有利于结构刚度的打印方向具有重要的工程应用价值。文献“GuoX,ZhouJ,ZhangW,etal.Self-supportingstructuredesigninadditivemanufacturingthroughexplicittopologyoptimization[J].ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering,2017,323:27-63.”公开了一种考虑打印方向自支撑结构的设计方法，分别利用可移动变形组件和可移动变形孔洞实现自支撑设计。通过约束可移动变形组件的角度和打印基准面的角度之和满足角度条件，并引入非线性约束避免V形区等特殊情况，得到最优打印方向下的可移动变形组件的自支撑结构。另一方面限制可移动变形孔洞悬空部分控制点的相对位置，同时不允许孔洞相交产生V形区，得到固定打印方向下的可移动变形孔洞的自支撑结构。该文献提出的方法虽然可以得到自支撑结构，但无法解决不规则设计域和内含非设计域孔洞等特殊问题，因而难以应用于复杂的工程实际。此外，该方法仅提出了针对可移动变形组件的可变打印方向下自支撑结构的优化，无法应用于对可移动变形孔洞打印方向的优化。
技术实现思路
为了克服现有自支撑结构的优化设计方法通用性和实用性差的不足，本专利技术提出了一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法。在设计域内布置一定数目的孔洞特征或实体特征，通过特征的移动、变形、相交和融合等行为来驱动结构的拓扑布局演变。在演变过程中，识别位于悬空部分的结构边界，对不满足角度条件的边界，量化其偏离程度并进行约束。此外，本专利技术还能够优选引入打印方向作为设计变量，进一步的实现结构拓扑和打印方向的同步优化。相比
技术介绍
的设计方法，本专利技术可以识别不规则边界和内部非设计域孔洞等，实现复杂结构的自支撑设计，适用于复杂的工程实际。此外，本专利技术适用于任意孔洞特征或实体特征的自支撑结构设计，并进一步可以对结构拓扑和打印方向同步优化，获得最优打印方向下的自支撑结构。本专利技术的技术方案为：所述一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据待增材制造的零件设计约束要求，构建设计域Ω；设计域中采用整体坐标系，坐标系方向沿水平和竖直方向；在设计域中初始分布m个特征，并给每个特征的设计变量赋初始值，从而得到零件结构的初始拓扑构型；所述特征为实体特征和/或孔洞特征；步骤2：根据KS函数计算零件结构的整体拓扑水平集函数Φ，其中p为KS函数的参数，φi为第i个特征的水平集函数，括号中的正号代表实体特征，负号代表孔洞特征；步骤3：确定步骤2得到的整体拓扑水平集函数Φ中Φ＝0处所表示的结构边界在结构边界中找出法向与打印方向夹角大于90°+β0的边界节点，并组成集合Λ，所述打印方向指竖直向上方向，β0为临界悬空角；对于集合Λ中的边界节点，利用公式计算面积PA，其中w＝|Δx|tan(β0)-|Δy|x＝(x,y)为边界节点的坐标向量，Δx与Δy表示当前边界节点与相邻下一个要处理的边界节点在x和y方向上的距离；当xi＝(xi,yi)为当前边界节点坐标向量，xi+1＝(xi+1,yi+1)为相邻下一个处理的边界节点坐标向量，则Δxi+1＝xi+1-xi，Δyi+1＝yi+1-yi；步骤4：找出集合Λ中的所有顶点和凹点；对于每个凹点，找出与凹点相邻的两个顶点，并组成三角形；计算得到的所有三角形面积和VA；步骤5：建立拓扑优化问题为：MinJ＝FTU其中J、A和表示零件结构的柔顺度，总体积以及最大体积约束；K、F和U分别表示零件结构的总体刚度矩阵，总体载荷向量和位移向量；H指Heaviside函数；ε1和ε2分别为设定的极小值约束，di、和di为设计变量及设定的设计变量上限和设计变量下限；设计变量作为优化变量；步骤6：对步骤5建立的拓扑优化问题进行优化求解，得到最优的优化结果。进一步的，所述一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤1中采用的特征为多边形孔洞特征、超椭圆实体特征或CBS孔洞特征。进一步的，所述一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤1中，采用多边形边缘形状的特征的设计变量包括中心坐标以及中心到多边形各顶点或各边的距离。进一步的，所述一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤2中KS函数参数p>0，表示进行布尔并运算。进一步的，所述一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤3中利用MATLAB的CONTOURF函数对步骤2得到的整体拓扑水平集函数Φ进行求解，得到结构边界进一步的，所述一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤3中临界悬空角β0根据打印设备和材料确定，取值为40°-50°。进一步的，所述一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤4中，采用以下过程找出集合Λ中的所有顶点和凹点：步骤4.1：对于集合Λ中的三个相邻边界节点xi-1，xi和xi+1，如果Δxi·Δxi+1＜0或Δyi·Δyi+1＜0，则边界节点xi为转折点；步骤4.2：对于某一转折点，根据该转折点到两侧相邻转折点的方向向量的叉乘结果正负判断该转折点是顶点还是凹点，当叉乘结果为正时，该转折点为顶点，否则为凹点。进一步的，所述一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于：设置打印基准面相对整体坐标系中坐标轴可旋转，并且将旋转角度θ也作为优化变量，结合设计变量共同进行优化求解。有益效果本专利技术的有益效果：该方法通过特征的移动、变形、相交和融合等行为来驱动结构的拓扑布局演变。与此同时，通过对结构边界的识别和变形约束实现固定打印方向和可变打印方向下的自支撑结构设计。相比
技术介绍
的设计方法，本专利技术可以识别不规则边界和内部非设计域孔洞等，实现复杂结构的自支撑设计，适用于复杂的工程实际。与此同时，本专利技术适用于任意孔洞特征或实体特征的自支撑结构设计，进一步可以同步优化结构拓扑和打印方向，获得最优打印方向下的自支撑结构。本专利技术的附加方面和优点将在下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1：根据待增材制造的零件设计约束要求，构建设计域Ω；设计域中采用整体坐标系，坐标系方向沿水平和竖直方向；在设计域中初始分布m个特征，并给每个特征的设计变量赋初始值，从而得到零件结构的初始拓扑构型；所述特征为实体特征和/或孔洞特征；/n步骤2：根据KS函数/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑增材制造打印方向的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据待增材制造的零件设计约束要求，构建设计域Ω；设计域中采用整体坐标系，坐标系方向沿水平和竖直方向；在设计域中初始分布m个特征，并给每个特征的设计变量赋初始值，从而得到零件结构的初始拓扑构型；所述特征为实体特征和/或孔洞特征；
步骤2：根据KS函数



计算零件结构的整体拓扑水平集函数Φ，其中p为KS函数的参数，φi为第i个特征的水平集函数，括号中的正号代表实体特征，负号代表孔洞特征；
步骤3：确定步骤2得到的整体拓扑水平集函数Φ中Φ＝0处所表示的结构边界在结构边界中找出法向与打印方向夹角大于90°+β0的边界节点，并组成集合Λ，所述打印方向指竖直向上方向，β0为临界悬空角；对于集合Λ中的边界节点，利用公式



计算面积PA，其中
w＝|Δx|tan(β0)-|Δy|
x＝(x,y)为边界节点的坐标向量，Δx与Δy表示当前边界节点与相邻下一个要处理的边界节点在x和y方向上的距离；当xi＝(xi,yi)为当前边界节点坐标向量，xi+1＝(xi+1,yi+1)为相邻下一个处理的边界节点坐标向量，则Δxi+1＝xi+1-xi，Δyi+1＝yi+1-yi；
步骤4：找出集合Λ中的所有顶点和凹点；对于每个凹点，找出与凹点相邻的两个顶点，并组成三角形；计算得到的所有三角形面积和VA；
步骤5：建立拓扑优化问题为：
MinJ＝FTU



其中J、A和表示零件结构的柔顺度，总体积以及最大体积约束；K、F和U分别表示零件结构的总体刚度矩阵，总体载荷向量和位移向量；H指Heaviside函数；ε1和ε2分别为设定的极小值约束，di、和di为设计变量及设定的设计变量上限和设计变量下限；设计变量作为优化变量；
步骤6：对步骤5建立的拓扑优化问...

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