【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料结构拓扑设计，尤其涉及一种几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法及系统。
技术介绍
1、拓扑优化与增材制造的融合，为结构创新设计及高性能构件的研制提供了理论途径和实现方法。目前，面向增材制造的结构拓扑优化设计主要考虑尺寸约束、悬垂约束、连通性约束、自支撑约束等几个方面。然而，如何利用结构设计优化材料分布，实现结构打印成型过程中的自支撑，依然是面向增材制造拓扑优化设计研究的重点。
2、随着增材制造技术的发展，已出现空间悬浮3d打印、mataerial反重力3d打印等先进的无支撑增材制造技术。目前，基于增材制造的拓扑优化结构已经在航空、航天、医学等领域得到了应用，如a320客机支架。但对于具有复杂几何特征拓扑的多尺度结构，其成型必须要增加额外的辅助支撑，避免这类结构在制造过程中坍塌。然而，对于三维的多尺度结构成型，额外增加的辅助支撑难以有效去除，其制造后的结构性能往往达不到设计要求。
3、在现有技术设计空间中结构的超高的几何特征复杂度和材料分布的高自由度难以匹配制造空间中材料堆叠成形工艺约束限制，难以在无辅助支撑下直接表达封闭内孔、大悬挑结构等有良好力学性能的结构。在结构设计过程中考虑其尺寸特征、悬垂结构等几何约束，避免结构在制造过程中坍塌，同时确保结构的设计性能在制造空间中的准确表达，实现设计即制造是面向增材制造的结构拓扑优化设计必须突破的难点。
4、现有技术方案
5、目前，通过拓扑优化进行增材制造中的自支撑结构设计，已经有了些研究。
6、文献1“
7、文献2“reintjes,c,lorenz,u.bridging mixed integer linear programmin gfor truss topology optimization and additive manufacturing[j].optimization and engineering,2021,22:849-893”中开发了两种混合整数程序，以在拟合地面结构方法的基础上，在拓扑优化的背景下使用数学优化方法。第一个混合整数计划专注于基于粉末的增材制造，包括允许多材料拓扑优化的预处理。第二个混合整数程序通过考虑倾斜和无支撑圆柱体的基于几何的设计规则以及零件在构建体积中的位置和方向的假设，为增材制造工艺生成无支撑晶格结构，通常取决于支撑结构。通过局部加厚或加梁或两者兼而有之来加强晶格结构的问题，然而还未制定出合适的启发式方法来生成有效的解决方案，以修复定义横梁的存在变量并解决剩下的线性规划问题，因此该方法还不够完善。
8、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
9、在现有技术设计空间中结构的超高的几何特征复杂度和材料分布的高自由度难以匹配制造空间中材料堆叠成形工艺约束限制，难以在无辅助支撑下直接表达封闭内孔、大悬挑结构等有良好力学性能的结构。
10、耗时耗材：基于增材制造技术打印多胞结构时，由于多胞结构中几何特征的空间位姿多样，难以避免成型时的支撑结构。为避免具有复杂几何特征拓扑的多尺度结构在制造过程中坍塌，其成型必须要增加额外的辅助支撑。对于辅助支撑的打印，不仅耗费时间而且加大了材料的消耗。
11、影响结构性能：对于三维的多尺度结构成型，额外增加的辅助支撑难以有效去除，其制造后的结构性能往往达不到设计要求。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法及系统，利用基结构方法，研究了基结构在单胞内的叠加组合规律，创建了基于基结构的单胞构形定义方法；结合传统的基于密度的拓扑优化方法，设置了所建单胞构形与设计变量的映射关系，给出了对应刚度矩阵的计算方法，定义了基于单胞模型的多胞结构优化模型，并推导了灵敏度计算方法。同时，研究了单胞模型在多胞结构中的分布特征，建立了可自支撑成形的制造体素定义方法；并结合增材制造的成形方向约束讨论了制造体素几何特征演化规律，以实现多胞结构的自支撑成形。
2、本专利技术是这样实现的，一种几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法包括：
3、步骤一，定义单胞构型，选择容易直接成型的杆梁建立单胞，计算出二维单胞的刚度矩阵；
4、步骤二，构造单胞优化模型，计算出优化后的单胞刚度矩阵,确定单胞内部节点居中的单胞设计策略；
5、步骤三，构造多胞减振结构优化模型，并推导出灵敏度计算方法；
6、步骤四，构建制造体素，并定义模型中所有单胞基本组件的成型角度；
7、步骤五，给出单胞制造体素构建时的搜索算法，根据所有单元的拓扑连接关系开始搜索，使所有基本单元均可无支撑成型。
8、进一步，所述几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法具体包括：
9、(1)面向增材制造的单胞构形；
10、(2)构造多胞减振结构优化模型；
11、(3)设计模型后处理。
12、进一步，所述面向增材制造的单胞构形具体包括：
13、在设置单胞构形的过程中，考虑到空间干涉关系，对单胞内的基本单元做以下限制：
14、1)单胞内任一基本单元内所有节点两两相邻；
15、2)单胞内的基本单元拥有独立的形状控制参数；
16、3)单胞内或单胞间的基本单元可相互融合形成更复杂的几何体；
17、由杆单元的单元刚度矩阵ke定义可知：
18、ke＝tk′ett, (1)
19、其中
20、(二维),
21、(三维),
22、e是杆材料的弹性模量，a和l分别是杆单元的横截面积和杆长，α,β,γ分别为杆的局部坐标系与空间坐标系对应轴的夹角；
23、单胞由共享节点和独享节点组成，则所定义的二维单胞的刚度矩阵可表示为：
24、
25、其中，对于二维单胞n＝8，三维单胞n＝20；
26、然后，为了找到独享节点的合适位置，需要构造单胞优化模型；
27、定义的单胞结构中，其单胞的刚度矩阵可重写为：
28、
29、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法，其特征在于，所述几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法具体包括：
3.如权利要求2所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法，其特征在于，所述面向增材制造的单胞构形具体包括：
4.如权利要求2所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法，其特征在于，所述构造多胞减振结构优化模型具体包括：
5.如权利要求2所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法，其特征在于，所述设计模型后处理具体包括：
6.一种实现如权利要求1～5任意一项所述几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计系统，其特征在于，包括：单胞构型定义模块、单胞优化模型构造模块、多胞减振结构优化模型构造模块、制造体素构建模块以及搜索算法执行模块；
7.如权利要求6所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计系统，其特征在于，所述单胞构型定义模块
8.一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1～5任意一项所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1～5任意一项所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法的步骤。
10.一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现如权利要求6～7任意一项所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计系统。
...【技术特征摘要】
1.一种几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法，其特征在于，所述几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法具体包括：
3.如权利要求2所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法，其特征在于，所述面向增材制造的单胞构形具体包括：
4.如权利要求2所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法，其特征在于，所述构造多胞减振结构优化模型具体包括：
5.如权利要求2所述的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法，其特征在于，所述设计模型后处理具体包括：
6.一种实现如权利要求1～5任意一项所述几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计方法的几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑设计系统，其特征在于，包括：单胞构型定义模块、单胞优化模型构造模块、多胞减振结构优化模型构...
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