【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及了一种结构分区可控变形设计与仿真方法，具体涉及一种4d打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法。
技术介绍
1、变形状设计是4d打印产品设计的主要任务之一。4d打印变形状设计技术在3d打印技术的基础上，借助智变结构在光、热、电、磁、水等外场作用下发生应激变形响应的特性，通过对智能材料、智能结构、外场激励条件的设计，使得产品的形状在时间维度上发生变化，从而实现复杂结构产品的变形设计，提高产品形状结构设计的质量和效率。
2、现有技术针对变形状设计缺乏对不同结构参数、材料属性参数的智变多材料结构的模拟仿真方法，往往采用实验试凑方式进行材料分布设计，难以实现复杂曲线/曲面变形的精准可控。
技术实现思路
1、为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供一种4d打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法。
2、本专利技术采用的技术方案是：
3、本专利技术的4d打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，包括：
4、1)将4d打印智变多材料结构的设计空间根据目标曲线/曲面的曲率分布划分为若干变形区域，每个变形区域中包括一个带有结构参数的双层变形单元。
5、2)构建双层变形单元的设计参数数据库，对设计参数数据库进行采样获得双层变形单元的若干单元样本，根据各个单元样本打印出若干双层变形单元构件，对各个双层变形单元构件施加外场激励后获得变形响应。
6、3)在仿真环境中根据各个单元样本建立若干双层变形单元模型
7、4)根据各个双层变形单元模型的单元样本以及步骤3)中获得的各自的活性层的等效仿真膨胀系数建立双层变形单元的代理模型关系，从而获得4d打印智变多材料结构的各个双层变形单元的仿真预测设计参数。
8、5)根据各个双层变形单元的仿真预测设计参数设计获得初始4d打印智变多材料结构的仿真预测形状，根据目标曲线/曲面的曲率分布获得初始4d打印智变多材料结构的目标形状。
9、6)根据仿真预测形状和目标形状构建优化问题并求解，获得4d打印智变多材料结构的各个双层变形单元的最终的设计参数，根据各个双层变形单元的最终的设计参数以及步骤1)中的划分的变形区域获得实现目标形状变形的双层变形单元的全局结构分布与材料分布，完成4d打印智变多材料结构的变形设计与仿真。
10、所述的步骤1)中，将长度为l、厚度为d的4d打印智变多材料结构的设计空间根据目标曲线/曲面的曲率分布均匀划分为n个变形区域，此时每个变形区域的长度为li(i＝1,2,…,n)，计算获得每个变形区域的平均曲率ki，将各个变形区域的平均曲率的标准差σk作为目标函数，各个变形区域的长度作为优化变量构建优化问题，采用置信域法进行求解，获得曲率分布较为均匀的变形区域划分结果，即获得每个双层变形单元的长度；双层变形单元的结构参数包括长度和厚度。
11、所述的步骤2)中，构建双层变形单元的设计参数数据库，设计参数数据库中包括步骤1)中的双层变形单元的结构参数以及若干预设的活性与非活性材料层层厚比和活性材料层材料类型；对设计参数数据库中进行采样具体采用拉丁超立方采样方法。
12、所述的步骤2)中，对各个双层变形单元构件施加外场激励后获得变形响应，具体为针对每个双层变形单元构件，对双层变形单元构件施加电磁/光/热的外场激励，使得双层变形单元构件变形，直至变形稳定后测量双层变形单元构件的等效曲率半径作为变形响应。变形稳定即形状不再发生变化。
13、所述的步骤3)中，对双层变形单元模型施加外场激励后获得变形响应，通过二分法求解在仿真环境中实现双层变形单元模型的变形响应和步骤2)中双层变形单元构件的变形响应相同的情况下的活性层的等效仿真膨胀系数；
14、所述的步骤4)中，建立双层变形单元的代理模型关系具体采用响应面法rsm(response surface methodology)、克里金法kriging、径向基函数法rbf(radial basisfunction)、神经网络法nn(neural network)、支持向量机法svm(support vectormachine)等代理模型；获得的仿真预测设计参数中包括4d打印智变多材料结构中的各个双层变形单元的仿真预测的长度、厚度、活性与非活性材料层层厚比和活性材料层材料类型。
15、所述的步骤6)中，根据仿真预测形状和目标形状构建优化问题，具体为将各个双层变形单元的活性与非活性材料层层厚比和活性材料层材料类型作为优化变量，将仿真预测形状和目标形状间的误差作为目标函数构建优化问题，然后采用遗传算法进行求解。
16、首先进行染色体编码和种群生成，对初始材料设计空间划分成的多个双层变形单元的层厚比hi(i＝1,2,…,n)、材料属性αi(i＝1,2,…,n)等参数进行二进制编码，在仿真预测曲线/曲面上采样m个标记点，标记点坐标为pi(i＝1,2,…m)，计算每个标记点在目标曲线/曲面上的最近投影点qi(i＝1,2,…m)，将形状误差函数作为目标函数，将hi,αi作为优化变量构建优化问题，采用遗传算法求解双层变形单元的最优全局分布参数和材料属性参数。
17、本专利技术通过构建智变结构设计参数和仿真参数间的关系，实现任意设计参数的智变多材料双层变形单元的变形模拟仿真。通过实现双层变形单元的全局分布设计，实现复杂曲线/曲面结构的精准可控变形设计。
18、本专利技术的有益效果是：
19、1、本专利技术提供了一种基于活性和非活性材料的双层变形单元的变形模拟仿真方法，实现了对给定材料属性与层厚比的多材料结构应激变形的精准预测，为多材料结构应激可控变形设计提供了基础。
20、2、本专利技术提供了一种4d打印复杂形状分区可控设计方法，在目标形状的引导下，将复杂曲面/曲线的变形设计分解为多个标准双层变形单元的参数设计，提高了4d打印多材料结构设计的精度和效率。
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1.一种4D打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的4D打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于：所述的步骤1)中，将长度为L、厚度为d的4D打印智变多材料结构的设计空间根据目标曲线/曲面的曲率分布均匀划分为n个变形区域，此时每个变形区域的长度为计算获得每个变形区域的平均曲率Ki，将各个变形区域的平均曲率的标准差σK作为目标函数，各个变形区域的长度作为优化变量构建优化问题，采用置信域法进行求解，获得变形区域划分结果，即获得每个双层变形单元的长度；双层变形单元的结构参数包括长度和厚度。
3.根据权利要求1所述的4D打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于：所述的步骤2)中，构建双层变形单元的设计参数数据库，设计参数数据库中包括步骤1)中的双层变形单元的结构参数以及若干预设的活性与非活性材料层层厚比和活性材料层材料类型；对设计参数数据库中进行采样具体采用拉丁超立方采样方法。
4.根据权利要求1所述的4D打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于：所述的步
5.根据权利要求1所述的4D打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于：所述的步骤3)中，对双层变形单元模型施加外场激励后获得变形响应，通过二分法求解在仿真环境中实现双层变形单元模型的变形响应和步骤2)中双层变形单元构件的变形响应相同的情况下的活性层的等效仿真膨胀系数。
6.根据权利要求1所述的4D打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于：所述的步骤4)中，建立双层变形单元的代理模型关系具体采用响应面法RSM、克里金法Kriging、径向基函数法RBF、神经网络法NN、支持向量机法SVM代理模型；获得的仿真预测设计参数中包括4D打印智变多材料结构中的各个双层变形单元的仿真预测的长度、厚度、活性与非活性材料层层厚比和活性材料层材料类型。
7.根据权利要求1所述的4D打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种4d打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的4d打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于：所述的步骤1)中，将长度为l、厚度为d的4d打印智变多材料结构的设计空间根据目标曲线/曲面的曲率分布均匀划分为n个变形区域，此时每个变形区域的长度为计算获得每个变形区域的平均曲率ki，将各个变形区域的平均曲率的标准差σk作为目标函数，各个变形区域的长度作为优化变量构建优化问题，采用置信域法进行求解，获得变形区域划分结果，即获得每个双层变形单元的长度；双层变形单元的结构参数包括长度和厚度。
3.根据权利要求1所述的4d打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于：所述的步骤2)中，构建双层变形单元的设计参数数据库，设计参数数据库中包括步骤1)中的双层变形单元的结构参数以及若干预设的活性与非活性材料层层厚比和活性材料层材料类型；对设计参数数据库中进行采样具体采用拉丁超立方采样方法。
4.根据权利要求1所述的4d打印智变多材料结构分区可控变形设计与仿真方法，其特征在于：所述的步骤2)中，对各个...
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