【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及分块增材制造领域，具体涉及一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术。
技术介绍
1、高端装备的设计制造对提升一个国家的核心竞争力至关重要，而高端制造需要以先进的产品设计理论和制造技术为支撑。拓扑优化作为一种优化设计方法，能够在给定的约束条件下发现设计区域内的结构创新形式，对实现结构轻量化、多功能和高性能发挥了重要作用。然而，拓扑优化结果几何构型复杂，难以通过传统制造工艺制备，设计人员往往需要基于制造技术及经验对优化结果进行二次设计来满足可制造性，这种做法往往会损坏结构的最优性。
2、增材制造(也称3d打印)作为一种先进的制造技术，能够通过逐层将材料堆积到打印平面加工，实现任意几何形式的复杂结构。结合拓扑优化和增材制造可对复杂工业产品进行一体化设计与加工，该技术已广泛应用于航空发动机、飞行器天线支架等高端构件的设计制造中，具有巨大的工业应用前景，是当前国际研究的前沿热点。
3、然而，现有单个增材制造设备的加工速度及可加工尺寸限制了增材制造技术在大尺寸构件和大型工业设备整体制造中的应用，尤其在航空航天领域。随着工业互联网及网络协同制造的发展，多个增材制造设备或机器人协同加工是实现大型构件有效途径。例如，美国relativity space计划用目前世界上最大的金属3d打印stargate在60天内来制造整个火箭。stargate采用三个打印机器人协同加工，以缩短加工时间，每个增材制造设备只需要打印满足其尺寸限制的构件分块，无需增加打印设备尺寸即可加工大型构件，多个增材制造设备亦可以同时工作以降
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服
技术介绍
中存在的上述缺陷或问题，提供一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术。
2、为达成上述目的，本专利技术及其优选实施例采用如下技术方案但实施例不限于下述方案：
3、方案一，一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，包括以下步骤：
4、对拓扑构型进行初步分块，基于水平集函数φ对每个分块进行定义，并对每个分块通过阶跃函数进行阶跃映射，对经由阶跃映射后的各分块的重叠区域进行排除以得到各拓扑构型分块
5、基于给定的拓扑构型描述函数γ，通过密度过滤和阶跃函数映射得到结构拓扑构型物理密度并基于拓扑构型分块和初始的打印方向b，对拓扑构型物理密度构建辅助支撑控制约束；拓扑构型描述函数γ用以描述设计区域内结构的相对密度；
6、协同优化拓扑构型描述函数γ，水平集函数φ和每个分块的打印方向b的控制角度θi，利用移动渐近线方法进行迭代设计直至得到最优设计变量集。
7、方案二，基于方案一，基于水平集函数φ对每个分块进行定义包括以下步骤：将分块描述为水平集函数φ的等值线，相应的参数化水平集函数φ定义为：
8、
9、其中，
10、tx＝cosθ(x-x0)+sinθ(y-y0)
11、ty＝-sinθ(x-x0)+cosθ(y-y0)
12、其中tx,ty为分块旋转后的坐标，x0,y0是水平集函数φ中心的位置坐标；lx,ly是零水平集的x方向边长和y方向边长；θ是倾斜角度，0≤θ<2π；参数p是类椭圆形半径参数，p为大于或等于2的偶数。
13、方案三，基于方案二，并对每个分块通过阶跃函数进行阶跃映射，包括以下步骤：基于参数化水平集函数φ对分块进行阶跃映射，阶跃函数定义为：
14、
15、其中，ηh是控制阶跃程度的参数。
16、方案四，基于方案三，对经由阶跃映射后的各分块的重叠区域进行排除以得到各拓扑构型分块包括以下步骤：记为第i个分块的识别函数，对于给定的第1个到第i个分块，有：
17、
18、
19、
20、........
21、
22、方案五，基于方案四，基于给定的拓扑构型描述函数或设计变量γ，通过密度过滤和阶跃函数映射的得到结构拓扑构型物理密度并基于拓扑构型分块和初始的打印方向b，对拓扑构型物理密度构建辅助支撑控制约束的步骤包括：
23、获取拓扑构型描述函数γ，以描述设计区域内结构的相对密度；
24、对γ通过密度过滤和阶跃函数映射得到结构拓扑构型物理密度
25、分块辅助支撑控制约束为：
26、
27、其中，为给定的悬空角临界值，b为打印方向，为拓扑构型物理密度函数的梯度；为依赖于密度梯度的阶跃函数，定义为：
28、
29、其中阶跃函数h(ξ)定义为
30、
31、β控制阶跃函数在临界值附近的陡度。
32、方案六，基于方案五，协同优化拓扑构型描述函数γ，水平集函数φ和每个分块的打印方向b的控制角度θi，利用移动渐近线方法进行迭代设计直至得到最优设计变量集包括以下步骤：
33、对于初始化的结构构型描述函数γ、分块方式及每个分块的打印方向b，仿真分析整体结构的性能和每个分块的辅助支撑约束，然后进行敏感度分析、计算结构性能和分块辅助支撑约束对拓扑构型描述函数γ的导数，最后基于移动渐近线方法求解优化问题，更新设计变量直至优化算法收敛为止。
34、方案七，基于方案三，ηh取0.001。
35、方案八，基于方案五，所述β＝10。
36、由上述对本专利技术及其优选实施例的描述可知，相对于现有技术，本专利技术的技术方案及其优选实施例由于采用如下技术手段从而具备如下有益效果：
37、1、相比现有技术，本方案提出了一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，对拓扑构型进行初步分块，基于水平集函数
38、φ
39、对每个分块进行定义，并对每个分块通过阶跃函数进行阶跃映射，对经由阶跃映射后的各分块的重叠区域进行排除以得到各拓扑构型分块基于给定的拓扑构型描述函数或设计变量γ，通过密度过滤和阶跃函数映射的得到结构拓扑构型物理密度并基于拓扑构型分块和初始的打印方向b，对拓扑构型物理密度构建辅助支撑控制约束；协同优化扑构型描述函数γ，水平集函数φ和每个分块的打印方向b的控制角度θi，利用移动渐近线方法进行迭代设计直至得到最优设计变量集。
40、本方案提出基于参数化水平集的分块描述方法，能够在优化过程中基于少量参数拓扑构型分块。构建了基于参数化水平集和密度梯度的分块辅助支撑量化和控制约束，能够优化过程中控本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：
2.如权利要求1所述的一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：
3.如权利要求2所述的一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：
4.如权利要求3所述的一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：
5.如权利要求4所述的一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：基于给定的拓扑构型描述函数γ，通过密度过滤和阶跃函数映射的得到结构拓扑构型物理密度并基于拓扑构型分块和初始的打印方向b，对拓扑构型物理密度构建辅助支撑控制约束的步骤包括：
6.如权利要求5所述的一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：协同优化拓扑构型描述函数γ，水平集函数φ和每个分块的打印方向b的控制角度θi，利用移动渐近线方法进行迭代设计直至得到最优设计变量集包括以下步骤：
7.如权利要求3所述的一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：ηh取0.001。
8.如权利要求5所述的一种面向分块增
...【技术特征摘要】
1.一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：
2.如权利要求1所述的一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：
3.如权利要求2所述的一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：
4.如权利要求3所述的一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：
5.如权利要求4所述的一种面向分块增材制造的结构拓扑优化设计技术，其特征在于：基于给定的拓扑构型描述函数γ，通过密度过滤和阶跃函数映射的得到结构拓扑构型物理密度并基于拓扑构型分...
【专利技术属性】
技术研发人员：王存福，曹玉雪，杨舜，张春燕，周虹羽，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。