【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于增材制造加工过程中的计算机辅助设计，特别涉及一种用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法。
技术介绍
1、点阵结构作为新型的材料结构，具有轻质、高强度、高吸能隔振等优点，被广泛应用在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域。其中传统微桁架点阵结构几何单元连接处是非均匀过渡的，存在急转弯或尖角，在结构受力时极易在连接处产生应力集中。而隐式曲面是一种以数学函数表达的具有明确空间分布的等值曲面，表面光滑且模型内部全连通，具有多孔、自支撑特性，不存在微桁架相邻杆件连接处应力集中的问题，因此，隐式曲面点阵结构在各行业具有更大的应用潜力。
2、研究表明，在相同载荷下，变密度隐式曲面点阵结构比均匀密度隐式曲面点阵结构具有更好的力学性能参数。然而，当前隐式曲面点阵结构的优化主要聚焦于实体结构内部晶胞的密度分布问题，没有关注载荷方向对其力学性能参数的影响。实际上，隐式曲面的晶胞具有各向异性特点已被工程师们研究发现，且点阵结构实际应用过程中最先发生破坏失效的位置往往是其力学性能参数最薄弱的承载方向，因此，隐式曲面点阵结构的设计与优化必须要考虑载荷方向对其服役性能的影响；另一方面，隐式曲面点阵结构的晶胞是一个完整的贯通曲面，基于载荷传递方向而改变结构各区域晶胞的方向会破坏原有贯通曲面，即变方向隐式曲面点阵结构的建模是设计过程中的一大难题。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，本专利技术在设计点阵结构过
2、为实现上述目的，本专利技术提供一种用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其包括：
3、s1：建立用于增材制造的支撑件隐式曲面点阵结构的晶胞三维模型；由于基于增材制造的隐式曲面点阵结构具有旋转对称性，因此载荷加载方向也具有对称效果；分别建立多个旋转角度的晶胞三维模型，利用有限元仿真技术分析各旋转方向下晶胞模型的力学性能，包括变形量和应力，给出各向异性结果雷达图，确定目标旋转角度θg；
4、s2：根据受力平衡确定支撑件隐式曲面点阵结构在增材制造过程中的模型载荷传递方向；
5、s21：建立支撑件隐式曲面点阵结构在增材制造过程中的有限元实体模型，进行网格划分，施加约束和载荷，并对已划分的单元进行编号，共有n个单元；
6、s22：基于受力平衡原理，提取支撑件在有限元实体模型中各单元的应力矢量，存入数据集aβ中；构建支撑件二维平面结构应力矢量模型和支撑件三维立体结构应力矢量模型；
7、s23：根据支撑件二维平面结构应力矢量模型确定支撑件二维实体模型各单元的载荷传递方向为：
8、v2β＝(θx，θy)；
9、其中，v2β为第β个单元的载荷传递方向；θx为横轴方向应力矢量与水平方向夹角；θy为纵轴方向应力矢量与水平方向夹角；β为实体模型单元序号，β＝1,2,3...n，n为实体模型单元总数；
10、s24：根据支撑件三维立体结构应力矢量模型确定支撑件三维实体模型各单元的载荷传递方向为：
11、v3β＝(θx，θy，θz)；
12、其中，v3β为第β个单元序号的载荷传递方向；θz为竖直方向应力矢量与水平方向夹角；
13、s3：根据步骤s2计算得到支撑件有限元实体模型中的所有单元载荷传递方向，使步骤s1中支撑件隐式曲面晶胞的最佳旋转方向θg与对应单元载荷传递方向一致，分别构建支撑件二维结构和支撑件三维结构下改进的变方向点阵结构数据集；
14、s31：对于支撑件二维结构，将步骤s1中的最佳旋转方向θg与步骤s23中确定支撑件二维实体模型各单元的载荷传递方向v2β相等，获得支撑件隐式曲面点阵结构晶胞的旋转角度，存入支撑件二维结构下改进的变方向点阵结构数据集g2β中；
15、s32：对于支撑件三维结构，以坐标轴三个方向应力矢量模最小者作为旋转轴，使步骤s24中确定支撑件三维实体模型各单元的载荷传递方向v3β与步骤s1目标旋转角度θg相等，将得到的旋转轴信息存入支撑件三维结构下改进的变方向点阵结构数据集g3β中；
16、s4：进行支撑件隐式曲面建模，完成支撑件隐式曲面变方向点阵结构的建模；将蒙皮与步骤s3中得到的改进的变方向点阵结构数据集进行布尔合并，实现支撑件隐式曲面点阵结构晶胞之间的连接贯通，得到带有蒙皮的改进变方向的支撑件隐式曲面点阵结构；所述支撑件隐式曲面点阵结构的方程表达式为：
17、
18、其中，t为控制晶胞孔隙率的参数；l为晶胞尺寸参数；x为横坐标参数；y为纵坐标参数；z为竖直坐标参数；
19、根据支撑件隐式曲面方程调控所有晶胞的连接贯通，获得支撑件隐式曲面点阵结构的晶胞变方向模型，用于支撑件的增材制造加工。
20、可优选的，所述步骤s2中的构建支撑件二维平面结构应力矢量模型为：
21、
22、其中，v2x为二维坐标系横轴传力路径矢量方向；v2y为二维坐标系纵轴传力路径矢量方向；σx为横轴方向应力；τxy为横轴与纵轴切应力；τyx为纵轴与横轴切应力；σy为纵轴方向应力；i和j分别为横轴和纵轴方向的单位向量。
23、可优选的，所述步骤s2中的支撑件三维立体结构应力矢量模型为：
24、
25、其中，v3x为三维坐标系横轴传力路径矢量方向；v3y为三维坐标系纵轴传力路径矢量方向；v3z为三维坐标系竖直轴传力路径矢量方向；τzx为竖直轴与横轴切应力；τzy为竖直轴与纵轴切应力；τxz为横轴与竖直轴切应力；τyz为纵轴与竖直轴切应力；σz为竖直方向应力；k为竖直方向的单位向量。
26、可优选的，所述步骤s2中的横轴方向应力矢量与水平方向夹角θx和纵轴方向应力矢量与水平方向夹角θy，具体为：
27、所述横轴方向应力矢量与水平方向夹角θx为：
28、
29、其中，θx为横轴方向应力矢量与水平方向夹角；
30、所述纵轴方向应力矢量与水平方向夹角θy为：
31、
32、其中，θy为纵轴方向应力矢量与水平方向夹角。
33、可优选的，所述步骤s4中进行支撑件隐式曲面建模，具体为：
34、s41：将步骤s3中获得的支撑件隐式曲面晶胞对应各个单元载荷传递方向带入支撑件隐式曲面方程中，进行支撑件隐式曲面点阵结构的单胞曲面建模，获得支撑件隐式曲面方程表达式；
35、s42：将步骤s41得到各单元对应的支撑件隐式曲面点阵结构单胞曲面与步骤s21实体模型进行布尔运算得到支撑件隐式曲面点阵结本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：其包括：
2.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤S2中的构建支撑件二维平面结构应力矢量模型为：
3.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤S2中的支撑件三维立体结构应力矢量模型为：
4.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤S2中的横轴方向应力矢量与水平方向夹角θx和纵轴方向应力矢量与水平方向夹角θy，具体为：
5.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤S4中进行支撑件隐式曲面建模，具体为：
6.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤S4中的支撑件隐式曲面的隐式函数表达式为：
7.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步
8.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤S4中的支撑件隐式曲面在进行旋转操作时，对纵轴设定旋转角度为θ时的公式为：
9.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤S4中的支撑件隐式曲面在进行旋转操作时，对竖直方向设定旋转角度为θ时的公式为：
10.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述多个旋转角度分别为0度、15度、22.5度、30度和45度。
...【技术特征摘要】
1.一种用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：其包括：
2.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤s2中的构建支撑件二维平面结构应力矢量模型为：
3.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤s2中的支撑件三维立体结构应力矢量模型为：
4.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤s2中的横轴方向应力矢量与水平方向夹角θx和纵轴方向应力矢量与水平方向夹角θy，具体为：
5.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向点阵结构设计方法，其特征在于：所述步骤s4中进行支撑件隐式曲面建模，具体为：
6.根据权利要求1所述的用于增材制造的支撑件隐式曲面变方向...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴凤和，王超世，王朝华，王慧元，连辉，孙迎兵，刘子健，张宁，蒋展鹏，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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