一种基于增材制造成型技术的新型细杆件渐进优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于增材制造成型技术的新型细杆件渐进优化方法。首先，将细杆件几何模型网格化；然后，将模型的各类参数初始化；接着，应用有限元软件计算设定试验的材料替换标准J值；最后，更新材料替换率RR来达到优化目标。本发明专利技术包括的关键步骤有：

【技术实现步骤摘要】
一种基于增材制造成型技术的新型细杆件渐进优化方法


[0001]本专利技术涉及新型渐进结构优化法相关
，更具体地，涉及一种基于增材制造成型技术的新型细杆件渐进优化方法。

技术介绍

[0002]结构拓扑优化是根据设计域内的负载情况、约束条件和性能指标来优化材料分布,寻求结构的最佳传力路径。在过去几十年中，各种优化方法已被成功运用到各类工程结构拓扑优化设计中，包括均匀化方法、变密度法、渐进结构优化方法、独立连续映射方法和水平集方法等。其中，渐进结构优化方法原理简单，收敛性好，通用性强，易于编程实现，因此备受青睐。
[0003]渐进结构优化方法最早于20世纪90年代早期提出，其设计思想是将材料中无效或者低效的材料单元逐步删除，最终呈现出结构最佳的传力方式，其主要面向连续体拓扑优化设计。此外，渐进结构优化方法是基于线性弹性理论而建立的，其结构拓扑的不断改变会带来结构适用性的问题。一旦结构中出现几何或材料的非线性，例如冲击/碰撞，传统渐进结构优化方法的求解过程会呈现不稳定和不收敛，这通常会导致瞬态碰撞动力学计算出现偏差。因此急切需要一种解决传统渐进结构优化方法出现的不稳定问题的方法。

技术实现思路

[0004]1、鉴于上述传统渐进结构优化方法出现的不稳定问题，本专利技术结合细杆件冲击试验提出一种基于增材制造成型技术的新型渐进优化方法。
[0005]2、一种基于增材制造成型技术的新型细杆件渐进优化方法包括以下步骤：
[0006]步骤1：模型网格化：建立细杆件几何模型，并对细杆件几何模型进行网格化，获得细杆件几何模型的单元编号，单元总数为H。
[0007]步骤2：参数初始化：初始化材料替换率RR、进化速率ER和材料属性；选择材料替换标准J。
[0008]步骤3：有限元计算单元J值：利用有限元软件对设定试验进行仿真，计算所有单元的J值，并获取所有单元的最大J值，即J
max
。依次将所有单元的J值与J
max
进行比较：
[0009]J
i
≤RR*J
max
[0010]其中i表示单元编号，i＝1,2,,,H；
[0011]如果存在某些单元满足上述比较公式则将这些单元的材料相关参数U进行修正，即材料相关参数U乘以一个小于1的数，并循环步骤3直至达到稳定状态；如果没有任何单元满足上述公式则进入步骤4。其中材料相关参数U的修正公式如下：
[0012]U＝U*β
[0013]其中β<1；β用于控制材料相关参数U的修正速度，过大会导致材料相关参数U无法找到合适值，过小则会增加迭代次数。
[0014]步骤4：优化目标判断：依据标准阈值K判断是否达到设定优化目标。
[0015]设定优化目标包括：
①
最大化结构能量吸收能力；
②
最大化塑性应变能；
③
均布设计区域内的塑性应变。
[0016]步骤4.a：最大化结构能量吸收能力：即验证所有单元中的最小碰撞力F
min
是否达到标准阈值F
K
所规定的优化目标。如果未达到所规定的优化目标则更新材料替换率RR，并循环步骤(3)
‑
(4)；如果达到所规定的优化目标则结束循环。标准阀值F
K
所规定的优化目标的公式如下：
[0017]F
min
<F
K
[0018]步骤4.b：最大化塑性应变能：即验证总塑性应变能E是否达到标准阈值E
K
所规定的优化目标。如果未达到所规定的优化目标则更新材料替换率RR，并循环步骤(3)
‑
(4)；如果达到所规定的优化目标则结束循环。标准阀值E
K
所规定的优化目标的公式如下：
[0019]E<E
K
[0020]步骤4.c：均布设计区域内的塑性应变：即验证所有单元的等效塑性应变是否达到标准阈值K所规定的优化目标。如果未达到所规定的优化目标则更新材料替换率RR，并循环步骤3
‑
4；如果达到所规定的优化目标则结束循环。标准阀值K所规定的优化目标的公式如下：
[0021](1
‑
α)*K≤J
i
≤(1+α)*K
[0022]其中i表示单元编号，i＝1,2,,,H；α为修正因子，是一个小于1的数材料替换率RR的更新公式如下：
[0023]RR＝RR+ER
[0024]进化速率ER用于控制材料替代率RR的进化速度；材料替代率更新后，重复进行有限元计算，直至结构达到另一稳定状态。
[0025]步骤5：采用增材制造成型技术成型复杂材料分布的细杆件。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施案例，下面将对实施案例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施案例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为本专利技术方法流程图；
[0028]图2为零件几何模型；
[0029]图3为细杆件网格模型；
[0030]图4为细杆件等效塑性应变图；
[0031]图5为细杆件塑性应变随迭代次数的演变图；
[0032]图6为优化后细杆件等效塑性应变图；
[0033]图7为优化后细杆件材料分布情况图；
[0034]图8为本专利技术总流程图；
具体实施方式
[0035]下面就本专利技术所采用的技术方案给出一些具体的实施案例，应当指出的是，所描述的实施案例仅旨在便于本专利技术的理解，而不对其起任何的限定作用。
[0036]具体实施案例：结合有限元软件Radioss对细杆件进行渐进优化，该新型渐进优化方法流程图如图1所示。
[0037](1)模型网格化：建立细杆件几何模型(如图2所示)，并对细杆件几何模型进行网格化(如图3所示)，单元总数为10000。材料替换标准J为等效塑性应变。
[0038](2)参数初始化：初始化材料替换率RR＝0.15，进化速率ER＝0.01，弹性模量E＝117GPa，泊松比μ＝0.35，屈服强度σ
y
＝400MPa，剪切模量E
T
＝100.08Mp，标准阀值E
K
＝0.5。
[0039](3)有限元计算单元J值：按照冲击试验对细杆件进行有限元分析，计算所有单元的等效塑性应变值(如图4所示)，并获取所有单元的最大J值，即J
max
。依次将所有单元的J值与J
max
进行比较：
[0040]J
i
≤RR*J
max
[0041]其中i表示单元编号，i＝1,2,,,10000。
[0042]如果存在某些单元满足上述比较公式则将这些单元的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于增材制造成型技术的新型细杆件渐进优化方法，其特征在于：步骤1：模型网格化：建立细杆件几何模型，并对细杆件几何模型进行网格化，获得细杆件几何模型的单元编号，单元总数为H。步骤2：参数初始化：初始化材料替换率RR、进化速率ER和材料属性；选择材料替换标准J。步骤3：有限元计算单元J值：利用有限元软件对设定试验进行仿真，计算所有单元的J值，并获取所有单元的最大J值，即J
max
。依次将所有单元的J值与J
max
进行比较：J
i
≤RR*J
max
其中i表示单元编号，i＝1,2,,,H；如果存在某些单元满足上述比较公式则将这些单元的材料相关参数U进行修正，即材料相关参数U乘以一个小于1的数，并循环步骤3直至达到稳定状态；如果没有任何单元满足上述公式则进入步骤4。其中材料相关参数U的修正公式如下：U＝U*β其中β<1；β用于控制材料相关参数U的修正速度，过大会导致材料相关参数U无法找到合适值，过小则会增加迭代次数。步骤4：优化目标判断：依据标准阈值K判断是否达到设定优化目标。设定优化目标包括：
①
最大化结构能量吸收能力；
②
最大化塑性应变能；
③
均布设计区域内的塑性应变。步骤4.a：最大化结构能量吸收能力：即验证所有单元中的最小碰撞力F
min
是否达到标准阈值F
K
所...

【专利技术属性】
技术研发人员：白如清，易进，梁冠，蒲华燕，罗均，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：