【技术实现步骤摘要】
一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法
本专利技术属于面向增材制造的结构优化设计
，具体涉及一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法。
技术介绍
增材制造(AdditiveManufacturing，AM)技术近年来广为关注，发展迅速。与传统的切削加工制造不同，增材制造采用逐层添加材料、累积成型的方式完成零件的快速制造，很大程度上消除了零件的几何复杂性对模型制造的影响。尽管如此，增材制造工艺本身仍对零件的优化设计存在一定的工艺制约。当三维零件模型存在悬垂区域时，由于其下层为悬空区域，难以提供足够的支撑力和热传递路径，使得结构容易产生塌陷或翘曲。添加支撑结构虽然能够在一定程度上解决此类问题，但过多的支撑结构意味着额外的材料损失、成形时长和后处理工作的增加，还可能影响零件的内应力分布。因此，结构优化设计过程中，必须考虑如何减少优化结构的悬垂区域，降低支撑结构的使用量。此外，在一些工程应用中，为应对不同的工况条件，需要保证结构外部形貌与其外部尺寸不变，以契合其需要的工作场景。如何能够在保持结构外部形貌的前提下，优化悬垂结构
【技术保护点】
1.一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、将结构模型进行体素化网格划分，每个体素单元都有其对应的空间坐标；/nS2、以体素单元集合为基准，构建能够约束结构模型外表面的保形单元，每个保形单元包括结构模型的外表面单元、内部单元与内表面单元；/nS3、定义控制保形单元的两种变化方式：保形单元增加操作、保形单元减小操作；/nS4、定义保形单元悬垂函数，计算每个保形单元的悬垂函数值P，并将保形单元按悬垂函数值从小到大排序；/nS5、设定最小自支撑角度β；求取保形单元虚增加角度β
【技术特征摘要】
1.一种考虑悬垂特征约束的保外形拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将结构模型进行体素化网格划分，每个体素单元都有其对应的空间坐标；
S2、以体素单元集合为基准，构建能够约束结构模型外表面的保形单元，每个保形单元包括结构模型的外表面单元、内部单元与内表面单元；
S3、定义控制保形单元的两种变化方式：保形单元增加操作、保形单元减小操作；
S4、定义保形单元悬垂函数，计算每个保形单元的悬垂函数值P，并将保形单元按悬垂函数值从小到大排序；
S5、设定最小自支撑角度β；求取保形单元虚增加角度βao、保形单元虚减小角度βdo；设定悬垂角度约束，使在迭代过程中不会产生新的悬垂角度βo小于最小支撑角β的结构；
S6、设定迭代变化率l，确定迭代变化数S，依据迭代变化数对步骤S4得出的排序队列应用步骤S3的保形单元变化方法，对保形单元执行增加或减少操作；在当前步骤施加步骤S5中设定的悬垂角度约束，不对被约束的保形单元执行增加操作与减小操作；
S7、对全部保形单元虚增加、虚减小角度约束重置，并在下次迭代中重新判定；
S8、迭代循环步骤S4至步骤S7，直到结构内表面全部悬垂结构角度βo≥β时，迭代终止。
2.如权利要求1所述的保外形拓扑优化方法，其特征在于，在步骤S2中，构建的保形单元能够约束结构模型外表面的六个方向，六个方向分别为沿x、y、z轴的正、负向。
3.如权利要求1所述的保外形拓扑优化方法，其特征在于：步骤S3中保形单元增加操作为：在保形单元的内表面一侧，由结构模型外表面至内表面方向增加一个体素单元；保形单元减小操作为：在保形单元的内表面一侧，由结构模型内表面至外表面方向删减一个体素单元。
4.如权利要求1所述的保外形拓扑优化方法，其特征在于，步骤S4中定义的保形单元悬垂函数如式(1)所示，式(1)如下：
p＝1(βo≥β)
式中，q为自定义系数，βo为悬垂结构角度，h为悬垂结构水平方向距离，p是保形单元的悬垂函数值。
5.如权利要求4所述的保外形拓扑优化方法，其特征在于，在x、z平面中，悬垂结构角度βo求取方式如下：
1)在保形单元内表面单元体，坐标为(x，z)处做半径为q的悬垂滤波圈；
2)遍历滤波圈内体素单元，找到距离圆心单元体坐标为(x，z)...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘婷婷，王新禹，廖文和，张长东，王聪，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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