【技术实现步骤摘要】
一种面向增材制造的壳体与填充结构协同优化设计方法
[0001]本专利技术涉及结构优化设计相关领域，尤其涉及一种面向增材制造的壳体与填充结构协同优化设计方法。
技术介绍
[0002]增材制造构件通常被设计成壳体与填充结构两大部分，不仅可以显著节省材料用量，提升制造效率，还具有优良的比刚度、比强度、吸能性能，被广泛应用于重载火箭、宽体客机、高速列车等重大战略装备。
[0003]与传统制造方法相比，尽管逐点逐层加工的增材制造不受构件几何形状限制，但构件悬挂区域需要额外设置支撑结构，以避免在加工过程中发生悬挂坍塌，进而导致制造失败，同时保证构件制造精度与制造质量。设置于壳体外部的悬挂区域可由外部支撑结构提供支撑，在打印结束后移除；但是设置于壳体内部的悬挂区域处于结构内部，其支撑结构在打印结束后无法移除，同时，填充结构在逐点逐层制造过程中亦需具备自支撑特性。针对这一类构件的设计问题，传统设计围绕着固定形状壳体，利用满足自支撑特征的周期性规则形状填充结构，填补壳体内部区域，通过人为后处理实现内部悬挂区域被完好支撑。这种传统设计方...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种面向增材制造的壳体与填充结构协同优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：参数初始化；根据结构的外形，定义所述结构的设计域与非设计域；基于所述结构的实际工况，确定载荷及边界条件，建立有限元模型；初始化优化参数及设计变量μ与υ；步骤2：构建壳填充结构密度及刚度的参数化模型；基于密度过滤公式及Heaviside投影格式，运用两步过滤法将所述设计变量μ转化为基区和壳体τ；依次使用密度过滤与投影法，将所述设计变量υ转化为填充结构ψ；根据所述基区所述壳体τ和所述填充结构ψ，构建单元密度的统一表达式ρ(φ,τ,ψ)；采用SIMP方法，建立单元密度及刚度的参数化模型，将单元密度插值集成于有限元分析中；步骤3：构建增材制造悬挂约束模型和局部体积约束模型；构建辅助场χ，所述辅助场χ被配置为能够使得所述结构的外部处于被完好支撑的状态；对所述辅助场χ施加增材制造过滤器AM filter后获得自支撑辅助场将所述辅助场χ与自支撑辅助场的差作为悬挂区域并计算获得悬挂体积分数，根据所述悬挂区域和所述悬挂体积分数构建悬挂体积约束Τ；以所述结构各单元为中心，计算各单元圆形邻域内的局部体积分数，以所述局部体积分数的p范数为基础，构建局部体积约束l；所述局部体积分数被配置为各单元圆形邻域内所有单元密度之和与单元数目之比；步骤4：构建拓扑优化建模，确定目标函数及约束函数；采用考虑中间设计场与腐蚀设计场的两场格式，建立面向增材制造的壳体与填充结构协同拓扑优化模型；通过所述两场格式控制所述基区和所述填充结构ψ的最小尺寸，避免优化结果出现不具备实际制造意义的特征；以最小化中间设计与腐蚀设计的加权柔度c为目标函数，保证结构整体体积约束G、所述悬挂体积约束T、所述局部体积约束l满足限制条件；步骤5：求解有限元模型，获得设计响应；基于当前优化迭代步下结构密度信息，分别求解中间设计与腐蚀设计的有限元模型，获得结构变形及刚度信息，进而计算所述加权柔度c，同时计算约束函数响应包括所述整体体积约束G、所述悬挂体积约束T、所述局部体积约束l；步骤6：目标函数及约束函数的灵敏度分析；根据各设计响应对所述设计变量μ与所述设计变量υ的解析灵敏度公式，求解当前迭代步下目标函数及各约束函数对所述设计变量μ与所述设计变量υ的差分灵敏度值；步骤7：优化求解；利用移动渐近线算法MMA，求解面向增材制造的所述壳体与填充结构协同拓扑优化模型，更新所述设计变量μ与所述设计变量υ；步骤8：如果所述加权柔度c的变化率在当前5个迭代步内低于0.2％，且所述基区所述壳体τ和所述填充结构ψ所用Heaviside函数的投影锐度β随着优化迭代达到预设的最大值β
max
，则结束；否则转所述步骤3。
2.如权利要求1所述的协同优化设计方法，其特征在于，还包括后处理方法，所述后处理方法包括如下步骤：采用阈值为0.5的投影方式，将带有灰度单元的优化结果转为清晰的0至1结果；运用增材制造过滤器，检测残留的少量悬挂单元，将其从结构中移除。3.如权利要求1所述的协同优化设计方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：步骤2.1：所述密度过滤及H...
【专利技术属性】
技术研发人员：周明东，陆宇帆，刘义畅，魏创，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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