[发明专利]一种适用于增材制造的自支撑网状结构拓扑优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于结构优化设计相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于增材制造的自支撑网状结构拓扑优化设计方法。

背景技术

增材制造系统中，支撑生成技术是其中的关键技术，它能约束零件的变形，并使零件得以顺利制造，研究的意义非常重大。但是工艺支撑的结构设计一直是增材制造技术发展的瓶颈，国内外已经在这方面做了一些研究，但解决方案并不理想，如设计过程繁琐，对设备操作者的要求较高。如一般市面上的3D打印机打印时以丝状供料，材料在喷头内被加热融化，喷头沿零件界面轮廓和填充轨迹运动，同时将融化的材料挤出，材料迅速冷却凝固，并与下方的模型(或者打印底板)融合构成整体模型的形状。打印机在打印底板上，从三维物体模型的底部开始，一层一层连续地打印至顶部，由于3D打印机打印原理类似于简单的“堆积木”，在打印物体模型中的悬空部位时，被挤出的塑料丝悬在空中而无法融合。用户需要在切片前对物体模型悬空部位下方添加支撑结构，这些支撑结构作为物体模型的一部分被打印机打印，这样在打印悬空部位时塑料丝能够与下方的支撑结构凝结。支撑结构在打印结束后需要被人为剥除，这样会对模型表面造成损伤，耗材较多，费时较长，且耗费较多的人力，成本较高，不利于推广应用。

当然，增材制造成型过程中，当零件悬空部分的特征尺寸很小时，也可以不添加支撑，利用材料本身的粘性特性成型，这为采用网状结构来实现增材制造过程中结构的自支撑提供了可行性。目前，对网状结构的研究主要有两种方法：一种是将网状结构看作桁架，利用离散体结构拓扑优化中的基结构法设计网状结构，此方法灵活性较差，不适用于连续体结构的拓扑优化；另一种是基于生产经验，通过设置周期性的隐函数或者样条函数，启发式地给出网状结构的设计，这种方法局限性较大，灵活性较低，对经验要求较高，质量不稳定。相应地，本领域存在着发展一种能够用于连续体结构且灵活性较高的自支撑网状结构拓扑优化设计方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于增材制造的自支撑网状结构拓扑优化设计方法，其采用了材料/结构一体化多尺度拓扑优化模型，其包含了宏观材料布局优化与细观微结构拓扑优化，避免了支撑结构的添加，节约了耗材，降低了成本，提高了结构表面质量；此外，所述自支撑网状结构拓扑优化设计方法可适用于连续体结构，提高了灵活性，适用范围较广；此外，无需依靠经验，简单易于实行。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于增材制造的自支撑网状结构拓扑优化设计方法，其包括以下步骤：

步骤一，利用SIMP材料密度-刚度差值模型，获取[0，1]之间不同层次实体材料的密度分布，同时得到宏观材料布局形式及宏观位移场，步骤一包括以下子步骤：

(11)基于SIMP材料密度-刚度插值模型，对宏观材料布局的相对单元密度、材料体分比、优化算法参数进行初始化；

(12)对宏观材料布局进行有限元分析，以获得宏观结构整体位移场U；

(13)计算宏观结构整体刚度，并将所述宏观结构整体刚度作为目标函数值，优化目标为使宏观结构整体刚度最大化(即宏观结构柔度最小化)，约束条件为材料使用量；

(14)计算目标函数及体积约束对设计变量的敏度；

(15)采用计算获得的敏度构建优化准则，并求解宏观结构整体刚度的优化模型，以更新宏观结构有限单元密度设计变量；

(16)判断目标函数是否满足收敛条件，若满足收敛条件，则输出最后的宏观材料布局形式以及当前的宏观位移场U，否则转至步骤(12)；

步骤二，构建基于参数化水平集方法的优化模型，在宏观材料布局优化的基础上，针对不同的中间密度单元进行微结构构型拓扑优化，并输出最优细观微结构构型。

进一步地，步骤二包括以下子步骤：

(21)基于获得的宏观材料布局形式及宏观位移场U，对各子优化问题模型、水平集函数及各微观结构单胞的有限元模型进行初始化；

(22)根据细观微结构单胞拓扑优化模型并行地进行各细观子问题微结构拓扑优化；

(23)利用单胞对应的水平集函数来计算微结构等效弹性张量及微结构所对应的单元刚度矩阵；

(24)计算目标函数及约束条件对设计变量的敏度；

(25)采用获得的敏度构建优化准则，并求解细观微结构单胞拓扑优化模型，根据求解结果以更新细观微结构的设计变量，同时更新水平集函数值及优化目标函数值；