一种基于模态频率约束的结构件制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于模态频率约束的结构件制备方法，属于机械加工技术领域，解决了现有技术同时保证模态频率优化和结构轻量化的问题。该方法包括如下步骤：建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率；对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析，获得优材料分布，建立结构件的轻量化模型；对上述轻量化模型进行模态分析，验证模态频率是否满足初始模态频率限制；如果不满足，对所述轻量化模型进行重构或光顺化，再次验证，直到满足；再次验证模型是否满足预设质量要求；如果不满足，对轻量化模型进行局部点阵填充，再次验证，直到满足预设质量要求，获得设计好的结构件的最终模型；制备结构件。制备结构件。制备结构件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模态频率约束的结构件制备方法


[0001]本专利技术涉及机械加工
，尤其涉及一种基于模态频率约束的结构件制备方法。

技术介绍

[0002]模态频率表征弹性结构固有的、整体的特性。当弹性结构件的结构、形状和所处的工作条件确定时，其模态频率也唯一确定。一般地，结构件一阶模态频率应尽可能高，以避免在工作过程中发生共振。因此，在航空航天、汽车等领域，常常对结构件一阶模态频率具有设计要求。
[0003]与此同时，随着机械设计与制造技术发展，结构件设计对结构轻量化的需求也越来越高，将结构件在满足使用功能的前提下进行轻量化设计，能够有效减小产品的质量，提高产品的使用性能，特别是对于航空航天领域，结构件质量的减小有助于提高飞行器的行程、速度等核心技术指标，具有重要意义。
[0004]对于飞行器仪器支架、座椅骨架等结构件，不仅对模态频率有严格的要求，同时又需要尽可能减重以提升飞行器整体性能。现有技术一般是直接按照固有频率要求设计出的结构件，在结构轻量化上仍有很大的空间。目前，缺少一种兼顾模态频率优化和结构轻量化的结构件的制备方法。

技术实现思路

[0005]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种基于模态频率约束的结构件制备方法，用以解决现有技术无法同时保证模态频率优化和结构轻量化的问题。
[0006]一方面，本专利技术实施例提供了一种基于模态频率约束的结构件制备方法，包括如下步骤：
[0007]建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率；/>[0008]对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析，根据拓扑优化分析获得的最优材料分布，建立结构件的轻量化模型；
[0009]对上述轻量化模型进行模态分析，验证模态分析得出的模态频率是否满足初始模态频率限制；如果不满足，对所述轻量化模型进行重构或光顺化，再次验证，直到满足初始模态频率限制；
[0010]再次验证满足初始模态频率限制后的3D模型是否满足预设质量要求；如果不满足，对轻量化模型进行局部点阵填充，再次验证，直到满足预设质量要求，获得设计好的结构件的最终模型；
[0011]根据结构件的最终模型生成机械加工方案，并制备得到结构件。
[0012]上述技术方案的有益效果如下：可应用于各种支架类、散热器类等对零件固有频率有一定要求，同时需要尽可能减重的结构件(包括零部件)设计与制造过程。在保证结构件设计功能性和制造可行性的同时，实现了最大限度轻量化。
[0013]基于上述方法的进一步改进，所述拓扑优化分析的约束为
[0014][0015]式中，X
i
表示结构件表面第i点的坐标，X
iL
、X
iU
分别为该点的下限和上限，x、y、z为该点的3D坐标；W表示结构件的质量，ρ表示结构件密度，K表示结构件的材料刚度，E表示结构件的弹性模量；T表示结构件的模态频率；T
s
表示结构件的初始模态频率，σ表示结构件局部应力最大值；σ
s
表示结构件允许的最大应力，f1( )、f2( )、f3( )表示不同的函数。
[0016]上述进一步改进方案的有益效果是：对拓扑优化分析的约束进行了限定。在拓扑优化分析中加入了模态频率约束(T)、应力约束(σ)、位置约束(X
i
)，简洁高效地使得拓扑优化分析获得的结果既在一定工况条件下减重，又不降低模态频率，还符合空间限制。
[0017]进一步，所述模态频率为一阶模态频率；
[0018]所述建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率的步骤，进一步包括：
[0019]根据结构件的零件组成和实际形状，建立初始3D模型；
[0020]获取结构件工作时的实际工况条件，确定初始3D模型的约束和相应载荷；
[0021]对所述初始3D模型加载上述约束和相应载荷进行模态分析，获得初始3D模型在预设工况条件下的一阶模态频率，作为初始模态频率。
[0022]上述进一步改进方案的有益效果是：将模态频率限制为一阶模态频率，即结构件的固有频率。初始模态频率限制对应为，保证轻量化结构(轻量化模型)的固有频率需要大于原始结构(初始3D模型)的固有频率，从而可以提高结构的动态特性。根据实际工况，对所述初始3D模型进行几何边界的约束，并加载外部载荷条件，计算出初始模态频率，通过一次规定和计算，即可作为后续一系列迭代优化中的模态频率的对比标准，提高了计算效率。
[0023]进一步，所述对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析的步骤，进一步包括；
[0024]识别并去除初始3D模型中不影响结构优化的局部特征，获得简化后模型；
[0025]识别所述简化后模型中的可设计区域和非设计区域；可设计区域为可变更结构或材料的区域；非设计区域为装配面有严格形状、精度要求的区域；
[0026]对所述去除局部特征后的3D模型加载所述拓扑优化分析的约束、以及与初始3D模型相同的约束和载荷，进行结构拓扑优化，获得可设计区域内各点的模态形状，作为最优材料分布。
[0027]上述进一步改进方案的有益效果是：通过划分设计区域与非设计区域，使得在计算时仅对设计区域进行优化，避免对不可改变的非设计区域产生影响，保证设计出的结构件几何形状是满足设计要求，并可用。
[0028]进一步，所述不影响结构优化的局部特征包括圆角、倒角、孔；
[0029]所述拓扑优化分析的约束还包括：对结构件制造工艺的拔模方向、对称性、周期性进行约束。
[0030]上述进一步改进方案的有益效果是：在不影响结构件计算结果的前提下，去除显著增加计算量的微细特征，有利于大大提高计算效率。大量试验显示，去除圆角、倒角、孔是非常必要的，使得计算结果更加准确。同时，还进一步限定了零件的制造工艺要求和结构规律，即对结构件制造工艺的拔模方向、对称性、周期性进行约束，从实际应用角度进一步约束零件几何形状，确保设计出的结构件几何形状符合实际使用需求。
[0031]进一步，所述根据拓扑优化分析获得的最优材料分布，建立结构件的轻量化模型的步骤，进一步包括：
[0032]根据拓扑优化获得的最优材料分布，直接对可设计区域进行光顺化，或先重新确定结构件可设计区域内的材料及结构，再对可设计区域进行光顺化，建立可设计区域更新后的3D模型。
[0033]上述进一步改进方案的有益效果是：通过光顺化方法，能够快速对可设计区域粗糙的几何形状进行平滑化，得到一个美观、光滑的模型，整个过程简洁、高效。
[0034]进一步，所述直接对可设计区域进行光顺化，或先重新确定结构件可设计区域内的材料及结构，再对可设计区域进行光顺化的步骤，进一步包括：
[0035]确定对结构件的外观要求是否严格；
[0036]若对结构件的外观要求严格时，先根据所述最优材料分布为参考重构3D模型的可设计区域，再对可设计区域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，包括如下步骤：建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率；对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析，根据拓扑优化分析获得的最优材料分布，建立结构件的轻量化模型；对上述轻量化模型进行模态分析，验证模态分析得出的模态频率是否满足初始模态频率限制；如果不满足，对所述轻量化模型进行重构或光顺化，再次验证，直到满足初始模态频率限制；再次验证满足初始模态频率限制后的3D模型是否满足预设质量要求；如果不满足，对轻量化模型进行局部点阵填充，再次验证，直到满足预设质量要求，获得设计好的结构件的最终模型；根据结构件的最终模型生成机械加工方案，并制备得到结构件。2.根据权利要求1所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，所述拓扑优化分析的约束为式中，X
i
表示结构件表面第i点的坐标，X
iL
、X
iU
分别为该点的下限和上限，x、y、z为该点的3D坐标；W表示结构件的质量，ρ表示结构件密度，K表示结构件的材料刚度，E表示结构件的弹性模量；T表示结构件的模态频率；T
s
表示结构件的初始模态频率，σ表示结构件局部应力最大值；σ
s
表示结构件允许的最大应力，f1()、f2()、f3()表示不同的函数。3.根据权利要求1或2所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，所述模态频率为一阶模态频率；所述建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率的步骤，进一步包括：根据结构件的零件组成和实际形状，建立初始3D模型；获取结构件工作时的实际工况条件，包括连接关系和承受外力，确定初始3D模型的约束和相应载荷；对所述初始3D模型加载上述约束和相应载荷进行模态分析，获得初始3D模型在预设工况条件下的一阶模态频率，作为初始模态频率。4.根据权利要求3所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，所述对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析的步骤，进一步包括；识别并去除初始3D模型中不影响结构优化的局部特征，获得简化后模型；识别所述简化后模型中的可设计区域和非设计区域；可设计区域为可变更结构或材料的区域；非设计区域为装配面有严格形状、精度要求的区域；对所述去除局部特征后的3D模型加载所述拓扑优化分析的约束、以及与初始3D模型相
同的约束和载荷，进行结构拓扑优化，获得可设计区域内各点的模态形状，作为最优材料分布。5.根据权利要求4所述的基于模态频率约束的结构件制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏江舟，王殿政，何智，王志敏，韩维群，干建宁，步贤政，张铁军，
申请(专利权)人：北京航星机器制造有限公司，
类型：发明
国别省市：