[发明专利]树脂原型内腔构型优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种树脂原型内腔构型设计方法，特别是一种树脂原型内腔构型优化设计方法。

背景技术

文献“Hague，R.，D’Costa，G.and Dickens，P.M.(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。

发明内容

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，本发明提供一种树脂原型内腔构型优化设计方法。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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种树脂原型内腔构型优化设计方法，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℃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：

xiA=xiB=xi(i=1,2...n)---1.1]]>

其中为PartA设计域中的设计变量，为PartB设计域中的设计变量，x_i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，...，x_n)

Min：Max(σ_C)                                       1.2