粉末烧结制造及面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种粉末烧结制造及面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法，本发明专利技术提出的面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法能够充分发挥拓扑优化设计的优势；当前对面向粉末烧结制造的产品的进行结构设计时大多基于工程师经验，设计出来的产品的结构性能未达最优，而本申请中前面向粉末烧结制造的产品的结构设计由拓扑优化方案完成，且本发明专利技术提出的拓扑优化方案同时包含两相尺寸控制约束和连通性限制约束，经过本拓扑优化方案得到了反向模具的三维模型，反向模具所对应的产品的结构性能大大提升。大大提升。大大提升。

【技术实现步骤摘要】
粉末烧结制造及面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法


[0001]本专利技术涉及粉末烧结制造
，具体涉及一种粉末烧结制造及面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法。

技术介绍

[0002]随着人类对高铁、太空、深海、微纳等多种领域探索程度的逐步深入，工程设备的应用环境越来越极端与复杂，对设备的结构性能、制造成本甚至时间成本都提出了更加严格和高标准的要求。结构性能不足的设备不仅会阻碍人类对未知领域探索的进程，甚至会导致悲剧的发生。因此，发展新的适应时代要求的设计制造技术，实现高性能轻量化设备的设计与快速制备成为当前研究人员关注的重点。
[0003]以设计域内材料最优分布为目标的拓扑优化技术因其初始约束条件更少，所得优化结果性能更好，结构拓扑更加新颖而获得了众多结构创新研究人员的青睐，成为当今社会结构轻量化设计最有前景的研究方向之一，并在航空、航天、汽车、船舶、新能源和核能等领域的复杂产品轻量化研究中得到了广泛应用。
[0004]作为先进制造技术之一的粉末烧结技术可以用于实现多种复杂程度各异的构件的生产，而且可以赋予构件不同的物理、化学和机械性能，它可以在几乎无原材料浪费的基础上批量生产零部件。且由于该方法可以保证材料在加工过程中具有化学均质性，因此有望于应用到零部件性能改善。
[0005]当前对面向粉末烧结制造的产品进行结构设计时大多基于工程师自身经验进行，设计出来结构件的结构性能尚有提升空间。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的是提供一种粉末烧结制造及面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法，旨在解决当前对面向粉末烧结制造的产品进行结构设计时大多基于工程师自身经验进行，设计出来结构件的结构性能尚有提升空间的问题。
[0007]本专利技术提出的技术方案为：
[0008]一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法，包括：
[0009]构造针对结构件的两相尺寸控制约束；
[0010]构造针对结构件的连通性限制约束；
[0011]构建同时包含所述两相尺寸控制约束和所述连通性限制约束的拓扑优化设计模型，并基于所述拓扑优化设计模型得到结构件的轻量化优化结果：
[0012]生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型，其中，所述反向模具用于在粉末烧结制造过程中作为包套，以使材料粉末收容在包套中进行烧结制造得到结构件。
[0013]优选的，所述构造针对结构件的两相尺寸控制约束，包括：
[0014]基于两相投影方法的特征，构造差值绝对值函数以限制中间密度；
[0015]通过过滤半径控制两相尺寸，从而实现结构件的两相尺寸控制约束。
[0016]优选的，所述构造针对结构件的连通性限制约束，包括：
[0017]基于封闭空腔结构的自身特征定义结构连续性作为结构连通性新的等效描述方法；
[0018]通过各向异性亥姆霍兹方程来限制封闭空腔结构的产生，从而实现结构件的连通性限制约束。
[0019]优选的，所述生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型，包括：
[0020]通过COMSOL软件将结构件的轻量化优化结果输出为二维优化结果；
[0021]将所述二维优化结果输出为VTK软件中能处理的非结构化网格数据；
[0022]通过软件VTK软件将非结构化网格数据沿法线方向复制叠加以生成三维数据集；
[0023]基于MC算法实现三维数据集的表面重建以生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型；
[0024]将所述优化结果对应的反向模具的三维模型可视化。
[0025]优选的，所述将所述二维优化结果输出为VTK软件中能处理的非结构化网格数据，包括：
[0026]通过COMSOL软件将输出的二维优化结果导出为VTU格式；
[0027]采用VTK软件的非结构化网格读取函数实现拓扑优化设计模型的导入；
[0028]所述通过软件VTK软件将非结构化网格数据沿法线方向复制叠加以生成三维数据集，包括：
[0029]创建与导入的二维非结构化网格数据相对应的空白vtkImageData数据集；
[0030]采用Kdtree算法寻找二维非结构化网格数据和对应的空白vtkImageData数据集的最近值点；
[0031]采用插值函数将二维非结构化网格数据上点值转换为结构化网格上点值；
[0032]将赋值成功的vtkImageData数据集在其法线方向上进行复制并形成一个三维数据集；
[0033]优选的，所述基于MC算法实现三维数据集的表面重建以生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型，包括：
[0034]采用vtkMarchingCubes类函数实现MC算法，以实现三维数据集的表面重建以生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型；
[0035]所述将所述优化结果对应的反向模具的三维模型可视化，包括：
[0036]将重建完成的三维数据集通过VTK可视化管线进行渲染，以实现可视化；
[0037]采用vtkSTLWriter类函数将反向模具的三维模型输出为STL格式。
[0038]优选的，所述生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型，还包括：
[0039]通过COMSOL软件将结构件的轻量化优化结果输出为三维优化结果；
[0040]将所述三维优化结果输出为STL格式文件并导入VTK软件中；
[0041]通过VTK软件根据三维优化结果的形状生成相对应的三维实体原模；
[0042]将三维实体原模与三维优化结果进行布尔运算以获得与所述优化结果对应的反向模具的三维模型；
[0043]将所述优化结果对应的反向模具的三维模型可视化。
[0044]优选的，所述通过VTK软件根据三维优化结果的形状生成相对应的三维实体原模，
包括：
[0045]通过VTK软件获取三维优化结果对应的vtkPolyData数据，并基于vtkPolyData数据构建长方体，以形成三维实体原模；
[0046]所述将三维实体原模与三维优化结果进行布尔运算以获得与所述优化结果对应的反向模具的三维模型，包括：
[0047]采用vtkTriangleFilter类函数将优化三维优化结果与长方体表述为三角面片数据结构；
[0048]采用vtkBooleanOperationPolyDataFilter类函数实现三维实体原模与三维优化结果的布尔运算，以得到与所述优化结果对应的反向模具的三维模型。
[0049]优选的，所述将所述优化结果对应的反向模具的三维模型可视化，包括：
[0050]将布尔运算完成后得到的与所述优化结果对应的反向模具的三维模型通过VTK软件可视化管线进行渲染，以实现可视化；
[0051]采用vtkSTLWriter类函数将反向模具的三维模型输出为STL格式。
[0052]本专利技术还提出一种粉末烧结制造方法，应用于如上述中任一项所述的面向粉末烧结制造的拓扑优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法，其特征在于，包括：构造针对结构件的两相尺寸控制约束；构造针对结构件的连通性限制约束；构建同时包含所述两相尺寸控制约束和所述连通性限制约束的拓扑优化设计模型，并基于所述拓扑优化设计模型得到结构件的轻量化优化结果：生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型，其中，所述反向模具用于在粉末烧结制造过程中作为包套，以使材料粉末收容在包套中进行烧结制造得到结构件。2.根据权利要求1所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法，其特征在于，所述构造针对结构件的两相尺寸控制约束，包括：基于两相投影方法的特征，构造差值绝对值函数以限制中间密度；通过过滤半径控制两相尺寸，从而实现结构件的两相尺寸控制约束。3.根据权利要求2所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法，其特征在于，所述构造针对结构件的连通性限制约束，包括：基于封闭空腔结构的自身特征定义结构连续性作为结构连通性新的等效描述方法；通过各向异性亥姆霍兹方程来限制封闭空腔结构的产生，从而实现结构件的连通性限制约束。4.根据权利要求1所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法，其特征在于，所述生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型，包括：通过COMSOL软件将结构件的轻量化优化结果输出为二维优化结果；将所述二维优化结果输出为VTK软件中能处理的非结构化网格数据；通过软件VTK软件将非结构化网格数据沿法线方向复制叠加以生成三维数据集；基于MC算法实现三维数据集的表面重建以生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型；将所述优化结果对应的反向模具的三维模型可视化。5.根据权利要求4所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法，其特征在于，所述将所述二维优化结果输出为VTK软件中能处理的非结构化网格数据，包括：通过COMSOL软件将输出的二维优化结果导出为VTU格式；采用VTK软件的非结构化网格读取函数实现拓扑优化设计模型的导入；所述通过软件VTK软件将非结构化网格数据沿法线方向复制叠加以生成三维数据集，包括：创建与导入的二维非结构化网格数据相对应的空白vtkImageData数据集；采用Kdtree算法寻找二维非结构化网格数据和对应的空白vtkImageData数据集的最近值点；采用插值函数将二维非结构化网格数据上点值转换为结构化网格上点值；将赋值成功的vtkImageData数据集在其法线方向上进行复制并形成一个三维数据集；6.根据权利要求5所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法，其特征在于，所述基于MC算法实现三维数据集的表面重建以生成与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：易兵，王天赐，刘龙，郑冉，李智忠，刘家玮，沈欣，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：