用于增材制造的三周期极小曲面变密度点阵结构设计方法技术

本发明专利技术提供一种用于增材制造的三周期极小曲面变密度点阵结构设计方法。首先，基于弹性结构静力平衡理论和单元“生死”技术，建立弹性结构有限元模型，设计结构单元承载力提取方法；然后，计算得到结构单元承载力矢量数据及结构有限元模型单元节点数据，并给出结构单元承载力云图；接着，对结构单元承载力数据进行处理，包括曲面插值、样条插值和归一化，将处理后的结构单元承载力数据与TPMS函数结合；然后，将TPMS多孔结构的孔隙率作为变密度点阵结构的评价指标，利用Marching cubes算法实现TPMS变密度曲面建模；最后，将TPMS变密度曲面模型和原结构模型进行布尔运算，实现曲面封闭。本发明专利技术解决了传统点阵结构设计中存在的拓扑结构数值不稳定、效率低等问题。

【技术实现步骤摘要】
用于增材制造的三周期极小曲面变密度点阵结构设计方法
本专利技术涉及计算机辅助设计和增材制造领域，特别涉及一种用于增材制造的三周期极小曲面变密度点阵结构设计方法。
技术介绍
点阵结构存在优异的机械性能，被广泛应用到航空航天、汽车和生物医疗等领域。随着增材制造技术的快速发展，点阵结构轻量化设计、制造、应用发展迅速。实际生产过程中，机械结构各区域通常承受不同大小的载荷，而传统的点阵结构设计都是基于均匀尺寸晶胞，这种等密度点阵结构存在材料性能不能充分发挥的问题。为了提高材料的利用率，可以将更多地的材料分配到机械结构承载力更大的区域，变密度点阵结构是一种有效的解决方案。现有研究的变密度点阵分布大多数是依据拓扑优化和应力分布，前者在分析复杂结构时容易出现各种数值不稳定的问题，如网格依赖、棋盘格效应、局部最优解等，而后者基于应力的变密度优化可能存在应力集中现象。目前研究的点阵结构大多数都是由连杆形成的对称空间结构，而研究连续曲面点阵结构较少。三周期极小曲面(TPMS，TriplyPeriodicMinimalSurface)是一种具有三维周期本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于增材制造的三周期极小曲面变密度点阵结构设计方法，其特征在于，该设计方法具体包括以下步骤：/nS1、建立用增材制造三周期极小曲面变密度点阵结构设计的原弹性结构有限元模型，进行网格划分和施加约束载荷；/nS2、基于弹性结构静力平衡原理及单元生死状态技术，设计提取步骤S1中的弹性结构单元承载力的方法；/nS21、确定弹性连续体的载荷边界和约束边界，计算约束边界的反支撑力f

【技术特征摘要】
1.一种用于增材制造的三周期极小曲面变密度点阵结构设计方法，其特征在于，该设计方法具体包括以下步骤：
S1、建立用增材制造三周期极小曲面变密度点阵结构设计的原弹性结构有限元模型，进行网格划分和施加约束载荷；
S2、基于弹性结构静力平衡原理及单元生死状态技术，设计提取步骤S1中的弹性结构单元承载力的方法；
S21、确定弹性连续体的载荷边界和约束边界，计算约束边界的反支撑力fi和载荷边界的节点位移δ1；
S22、移除弹性连续体的关注区域，将载荷边界以节点位移δ1加载，再次计算此时的约束边界反支撑力为
S23、单元承载力是指移除关注区域前后约束边界上反支撑力的差值，由此得到单元承载力的表达式为
S3、通过步骤S2，计算得到用于指导增材制造的三周期极小曲面变密度结构建模的数据，即弹性结构有限元模型单元节点数据和结构单元承载力矢量数据，并给出弹性结构单元承载力的云图；
S4、对用于指导增材制造的三周期极小曲面变密度结构建模的数据处理，即对步骤S3得到的结构单元承载力数据进行处理，单元承载力数据处理分为二维结构和三维结构；
S41、二维结构单元承载力数据处理；
S411、将二维结构单元承载力进行曲面插值，其插值间隔与三周期极小曲面建模网格间隔一致；
S412、对曲面插值后的二维结构单元承载力做归一化处理，保证其结果在三周期极小曲面函数的等值参数范围内；
S413、在二维结构单元承载力的水平方向上复制排列二维结构单元承载力，来创建三维空间结构，其复制排列的间隔与三周期极小曲面建模网格间隔一致；
S42、三维结构单元承载力数据处理；
S421、将三维结构单元承载力数据在某个方向上按照有限元模型网格大小做分层处理，将三维结构单元承载力分为多层二维单元承载力；
S422、分别对每层二维单元承载力做相同的归一化处理，保证每层二维单元承载力归一到相同的区间；
S423、对分层归一化处理后的每层的二维单元承载力分别进行曲面插值，其插值间隔与三周期极小曲面建模网格间隔一致；
S424、对曲面插值后的各层二维单元承载力在同列上的数据点依次进行三次样条插值，生成多层二维单元承载力，其插值间隔与三周期极小曲面建模网格间隔一致；
S425、对上述插值后的全部单元承载力数据做归一化处理，保证其结果在三周期极小曲面函数的等值参数范围内；
S426、将处理后的二维单元承载力组合成三维结构单元承载力；
S5、将步骤S4中处理后的结构单元承载力，结合步骤S3中得到的有限元模型单元节点数据，给出处理后的三维弹性结构单元承载力云图；
S6、将...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴凤和，杨成龙，王朝华，郭保苏，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13