树脂原型内腔构型优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种树脂原型内腔构型优化设计方法，用于解决现有的基于光固化快速成型的精密铸造树脂内腔设计方法，对于不同的模型只能应用同一种设计构型的技术问题。技术方案是采用现代拓扑优化方法实现树脂原型内腔构型优化设计，同时考虑树脂原型对型壳产生的应力和树脂原型本身的刚度，针对不同模型的外形特征，设计出合理的内腔结构形式，达到了应力和刚度设计的最佳匹配，避免了砂型壳因树脂热胀而破裂，并且能更好地保证型壳的尺寸精确度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种树脂原型内腔构型设计方法，特别是一种。
技术介绍
文献“Hague，R.，D’ Costa，G. and Dickens,P. Μ. (2001) ,Structural design and resin drainage characteristics of QuiCkCast 2.0，，，Rapid Prototyping Journal, Vol. 7No. 2,pp. 66-72”公开了一种基于光固化快速成型的精密铸造树脂内腔设计方法。由于快速成型中的树脂既不同于消失模中的塑料汽化模，又不同于熔模铸造中的蜡模。光固化树脂原型材料比一般模料强度高、刚性好，热膨胀系数比精铸型壳材料高一个量级，在焙烧过程中极易导致型壳的胀裂。所以文献将树脂原型抽壳，内腔用规则蜂窝结构填充，达到缓和型壳应力和保证树脂原型刚度的目的，并给出了三种不同的内腔设计构型。文献公开的设计方法虽然认识到改变树脂原型内腔材料布局，可以缓和型壳应力和保证树脂原型刚度，但是其设计方法仍停留在直观经验上，缺乏相应的理论基础与方法。 缺点是对于不同的模型，只能应用同一种设计构型；树脂模型的刚度也没有作为结构设计的主要指标进行考虑。
技术实现思路
为了克服现有的基于光固化快速成型的精密铸造树脂内腔设计方法，对于不同的模型只能应用同一种设计构型的不足，本专利技术提供一种。 应用现代拓扑优化方法实现树脂原型内腔构型优化设计，同时考虑树脂原型对型壳产生的应力和树脂原型本身的刚度，针对不同模型的外形特征，可以设计出合理的内腔结构形式， 达到应力和刚度设计的最佳匹配，避免砂型壳因树脂热胀而破裂，并且能更好地保证型壳的尺寸精确度。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种，其特点是采用以下步骤(1)建立几何模型。先将树脂原型的CAD模型抽壳，抽壳厚度通常为0. 2 2mm ； 将抽壳之后的模型内部填充。CAD模型抽成的壳为拓扑优化的非设计域；模型内部填充为拓扑优化的设计域。将树脂原型CAD模型外表面向外偏移6mm-10mm，偏移部分形成型壳。(2)建立有限元模型。将几何模型采用自由网格划分有限元网格，定义为PartA。 将其中树脂原型的有限元单元复制，移动距离大于树脂模型最大尺寸，定义为PartB。定义材料属性。根据使用的材料类型，分别定义型壳材料和树脂材料的杨氏模量、 泊松比、热膨胀系数。加载温度工况。在型壳焙烧过程中，对PartA施加60°C的恒温场。由于型壳材料的热膨胀系数比树脂材料的热膨胀系数高大约一个数量级，所以型壳产生热应力。加载压力工况。这个过程是在做好的树脂原型表面要涂挂一定厚度的浆料和砂料。在这个过程中，PartB模型外表面要承受一定大小的均布压力载荷。所以在树脂表面添加一个均布载荷。(3)建立拓扑优化模型。根据建立的有限元模型，型壳和树脂原型表面单元为非设计域，树脂原型内腔单元为设计域，将PartA和PartB中树脂原型的单元一一对应，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种树脂原型内腔构型优化设计方法，其特征在于采用以下步骤：（ａ）先将树脂原型的ＣＡＤ模型抽壳，抽壳厚度为０．２～２ｍｍ；将抽壳之后的模型内部填充；ＣＡＤ模型抽成的壳为拓扑优化的非设计域；模型内部填充为拓扑优化的设计域；将树脂原型ＣＡＤ模型外表面向外偏移６～１０ｍｍ，偏移部分形成型壳；（ｂ）将几何模型采用自由网格划分有限元网格，定义为ＰａｒｔＡ；将其中树脂原型的有限元单元复制，移动距离大于树脂模型最大尺寸，定义为ＰａｒｔＢ；根据使用的材料类型，分别定义型壳材料和树脂材料的杨氏模量、泊松比、热膨胀系数；在型壳焙烧过程中，对ＰａｒｔＡ施加６０℃的恒温场；在ＰａｒｔＢ模型外表面添加一个均布压力载荷；（ｃ）根据建立的有限元模型，型壳和树脂原型外壳单元为非设计域，树脂原型内腔单元为设计域，将ＰａｒｔＡ和ＰａｒｔＢ中树脂原型的单元一一对应，即：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（ｍｉ）Ａ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（ｍｉ）Ｂ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｎ）１，２（／ｍｎ）?（ｍｏ）．（／ｍｏ）?（ｍｏ）．（／ｍｏ）?（ｍｏ）．（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｎ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｎ）１．１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）式中，为ＰａｒｔＡ设计域中的设计变量，为ＰａｒｔＢ设计域中的设计变量，ｘｉ为拓扑优化定义的设计变量；于是，拓扑优化的数学表达式写为：Ｆｉｎｄ：Ｘ＝（ｘ１，ｘ２，．．．，ｘｎ）Ｍｉｎ：Ｍａｘ（σＣ）１．２（ｍａｔｈ）??（ｍｆｅｎｃｅｄｏｐｅｎ＝＇｛＇ｃｌｏｓｅ＝＇＇）?（ｍｔａｂｌｅ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｉ）Ｃ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｌｅ；（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｃ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）Ｕ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｌｅ；（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）Ｕ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｎ）０（／ｍｎ）?（ｍｏ）＆ｌｔ；（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）Ｌ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＆ｌｅ；（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＆ｌｅ；（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｎ）１，２（／ｍｎ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｏ）．（／ｍｏ）?（ｍｏ）．（／ｍｏ）?（ｍｏ）．（／ｍｏ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｎ（／ｍｉ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（／ｍｔａｂｌｅ）?（／ｍｆｅｎｃｅｄ）?（／ｍａｔｈ）式中，Ｘ为设计变量向量，即设计域上材料在０到１之间的伪密度；Ｃ（Ｕ）和Ｖ（Ｕ）为变形能和体分比的上限；相应的，ｘ（Ｌ）为当单元材料去除时为避免单元刚度矩阵奇异的伪密度的下限，σＣ为在温度载荷下由热应力引起的型壳上的应力；Ｃ为树脂模型在均布压力下的应变能，它为结构刚度的比例倒数，写为：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）Ｃ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｆ（／ｍｉ）?（ｍｉ）Ｐ（／ｍｉ）?（ｍｉ）Ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｕ（／ｍｉ）?（ｍｉ）Ｐ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｎ）１．３（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）式中，ＦＰ为树脂模型表面的压力载荷；ＵＰ为相应的节点位移向量；（ｄ）进行拓扑优化迭代，将树脂原型设计结果保存为ＳＴＬ文件，用光固化快速成型机直接制作树脂原型；或者根据树脂原型拓扑优化结果尺寸，重构ＣＡＤ模型，形成树脂原型内腔构型，再用光固化快速成型机直接制作树脂原型。...

【技术特征摘要】
1. 一种树脂原型内腔构型优化设计方法，其特征在于采用以下步骤(a)先将树脂原型的CAD模型抽壳，抽壳厚度为0.2 2mm ；将抽壳之后的模型内部填充；CAD模型抽成的壳为拓扑优化的非设计域；模型内部填充为拓扑优化的设计域；将树脂原型CAD模型外表面向外偏移6 10mm，偏移部分形成型壳；(b)将几何模型采用自由网格划分有限元网格，定义为PartA；将其中树脂原型的有限元单元复制，移动距离大于树脂模型最大尺寸，定义为PartB ；根据使用的材料类型，分别定义型壳材料和树脂材料的杨氏模量、泊松比...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱继宏，谷小军，张卫红，李军朔，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87