【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于结构轻量化设计，尤其是一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法。
技术介绍
1、点阵结构是一种多孔结构，通常由空间连杆组成单元，并在三维空间上周期阵列形成规律的桁架结构，其具有轻质、高比强度、高比刚度的特点。随着金属增材制造技术的日趋成熟，点阵结构可以通过主动设计达到设想的力、热性能，是一种多功能结构形式。已有大量使用点阵结构进行多功能化、轻量化的研究被报道，非常有希望成为构建高效承载结构的优选结构材料体系。
2、当前航空航天领域对结构轻量化有着愈发迫切的需求，点阵结构在其组件上的应用也越发广泛，目前采用点阵结构替代实体结构被认为是一种有效的轻量化方法。未来航天器的工况环境将更加复杂和恶劣，对于其中某些承力结构件而言，其受力形式多变，单一的点阵结构形式难以满足其工况载荷要求。当前已有梯度点阵结构被开发出来，可通过改变支杆直径、单元尺寸等以达到相对密度改变的效果，通过增材制造技术，可以将填充点阵的复杂结构件制造出来。但是以上填充点阵的方法由于相邻的单元之间存在大小尺寸的差异，所以会造成单元节点连接处缺乏有效过渡、点阵无法密排和存在极限尺寸等问题，导致产品进行增材制造的工艺性较差无法实现在航天产品中的应用。
技术实现思路
1、专利技术目的：提供一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，以解决现有技术中填充点阵的方法由于相邻的单元之间存在大小尺寸的差异，所以会造成单元节点连接处缺乏有效过渡、点阵无法密排和存在极限尺寸等问题，导致产品进行增材制造的工艺性较差无法实
2、技术方案：
3、一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，该方法包括如下步骤：
4、步骤1：建立零件的几何有限元模型，并采用有限元方法对建立的所述模型进行分析计算，通过仿真的方式获得所述模型的应力分布和位移分布的分布结果，根据所述分布结果对所述模型进行区域划分，获得若干个第一实体特征区域和若干个第二实体特征区域；
5、步骤2：将若干个所述第二实体特征区域中的实体部分进行去除，使得所述模型的所述第二实体特征区域成为薄壁空腔结构，保留所述第一实体特征区域的实体结构；
6、步骤3：依据所述模型的实际受力情况，选择至少三种不同构型形成的多层点阵结构对形成薄壁空腔结构的每一个所述第二实体特征区域进行试填充，使得每一个所述第二实体特征区域均被填满；
7、步骤4：根据所述至少三种不同构型形成的多层点阵结构层与层之间连接处的特征结合所述零件的制造工艺，对填充后的所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构进行有限元分析，判断分析验证结果的可靠性是否符合预设值，若是验证结果的可靠性不符合预设值，则返回步骤3更换多层点阵结构中每一层点阵结构的参数，继续通过有限元分析验证结果的可靠性，直至选择的点阵结构的可靠性符合预设值。
8、在进一步的实施例中，所述步骤1具体包括如下步骤：
9、步骤1-1：对建立的所述模型设定边界条件和载荷，分析计算获得仿真的所述分布结果，所述模型设定边界条件和载荷包括所述模型的预设受力和变形数据；
10、步骤1-2：观察所述分布结果，获得所述模型中各个区域的应力分布和位移分布数据，所述应力分布和位移分布数据包括实际受力和变形数据，将所述实际受力和变形数据小于所述预设受力和变形数据的区域划分为第二实体特征区域，将所述实际受力和变形数据大于所述预设受力和变形数据的区域划分为第一实体特征区域。
11、在进一步的实施例中，所述步骤1-2中将所述实际受力和变形数据小于所述预设受力和变形数据的区域划分为第二实体特征区域进一步包括：
12、所述实际受力和变形数据小于等于所述预设受力和变形数据的70％。
13、在进一步的实施例中，所述步骤3具体包括如下步骤：
14、步骤3-1：选择3～4种刚度存在差异的点阵结构对选定的所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构进行试填充，获得最优点阵结构和最优的点阵单胞尺寸；
15、步骤3-2：根据若干个所述第二实体特征区域不同的应力分布和位移分布情况对若干个对应的薄壁空腔结构分别填充相应四重旋转自支撑构型的点阵结构，选择合适的点阵单胞尺寸，直至所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构被填满。
16、在进一步的实施例中，所述步骤3-2中四重旋转自支撑构型的所述点阵结构根据所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构的实际情况确定填充层数，在薄壁空腔结构内进行多层排布，所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构内的等效长度方向和宽度方向存在不同种类的点阵排布结构，在薄壁空腔结构内厚度方向每层点阵排布结构的排布方式保持一致；
17、选取所述四重旋转自支撑构型的点阵结构的等效强度公式如下：
18、
19、式中，为等效屈服强度，σys为基体材料的屈服强度，ρ*为点阵结构单元的相对密度，θ为支杆的倾斜角，η为常数，根据上式通过预设点阵结构的单层等效实体强度，选择点阵结构的支杆倾斜角度和相对密度。
20、在进一步的实施例中，根据几何关系，所述四重旋转自支撑构型的点阵结构的相对密度表示如下：
21、
22、l4-b、l4-v、l4-s和l4-f分别为基础型、加强型、斜杆型和双斜杆型点阵结构，h为点阵单元的高度，θ为点阵支杆的倾斜角，d为点阵支杆的直径；
23、对于多层点阵结构，其力学行为表示如下：
24、
25、式中，为多层点阵结构抗压强度的计算值，为式(1)中单层点阵结构的相应等效计算值，m为点阵结构的层数，l和w分别为点阵单胞在长和宽方向排布的个数。
26、在进一步的实施例中，根据几何关系，m、w和l表示如下：
27、
28、
29、式中，g、j、k分别为结构件填充所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构的等效厚度、长度、宽度。
30、结合以上，式(6)的拓展表达如下：
31、
32、根据式(10)～式(13)和应力实际分布情况，计算得到不同构型多层点阵结构的等效应力，并填充在相应所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构中。
33、在进一步的实施例中，所述步骤4具体包括如下步骤：
34、步骤4-1：判断所述第二实体特征区域是否存在悬垂面，所述悬垂面角度是否小于预设角度，若所述第二实体特征区域存在悬垂面且悬垂面角度小于所述预设角度，对该悬垂面进行优化；
35、步骤4-2：判断所述第二实体特征区域是否存在水平圆孔，所述水平圆孔的直径是否大于预设直径数据，若所述第二实体特征区域存在水平圆孔且所述水平圆孔的直径大于所述预设直径数据，对该水平圆孔的直径进行修改优化；
36、判断所述第二实体特征区域是否存在小于预设截面数据的截面，若是存在小于所述预设截面数据的截面，对该截面进行修改优化；
37、判断所述第二实体特征区域是否存在小于预设薄壁数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：所述步骤1具体包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：所述步骤1-2中将所述实际受力和变形数据小于所述预设受力和变形数据的区域划分为第二实体特征区域进一步包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：所述步骤3具体包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：所述步骤3-2中四重旋转自支撑构型的所述点阵结构根据所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构的实际情况确定填充层数，在薄壁空腔结构内进行多层排布，所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构内的等效长度方向和宽度方向存在不同种类的点阵排布结构，在薄壁空腔结构内厚度方向每层点阵排布结构的排布方式保持一致；
6.根据权利要求5所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：根据几
7.根据权利要求6所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：根据几何关系，M、W和L表示如下：
8.根据权利要求1所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：所述步骤4具体包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：在所述步骤4-1中，所述悬垂面角度的预设角度为45°。
10.根据权利要求8所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：所述步骤4-2中，所述预设直径数据为8mm，所述预设截面数据为0.25mm2，所述预设薄壁数据为1.5mm，对所述封闭空腔进行修改优化包括填实或添加排粉孔。
...【技术特征摘要】
1.一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：所述步骤1具体包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：所述步骤1-2中将所述实际受力和变形数据小于所述预设受力和变形数据的区域划分为第二实体特征区域进一步包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：所述步骤3具体包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于变构型点阵填充的结构件轻量化方法，其特征在于：所述步骤3-2中四重旋转自支撑构型的所述点阵结构根据所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构的实际情况确定填充层数，在薄壁空腔结构内进行多层排布，所述第二实体特征区域的薄壁空腔结构内的等效长度方向和宽度方向存在不同种类的点阵排布结构，在薄壁空腔结...
【专利技术属性】
技术研发人员：张海日，丁陵，张峰，孟文，卢红根，金志，
申请(专利权)人：南京晨光集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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