[发明专利]一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法

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，涉及一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法。

背景技术

增材制造，通常也被称作为3D打印或快速成型，发明于上世纪80年代，与传统制造工艺不同，大多数的增材制造技术都通过堆积材料的方法由下向上一层一层进行制造，增材制造在近几年得到了高速的发展并且被成功应用到了实际生产中。支撑结构生成是增材制造中一项重要的设计环节，支撑结构不仅可以约束产品的变形，而且可以通过改变产品的热梯度，进而影响其热变形及残余应力分布，防止产品发生变形或开裂，能够有效预防加工过程中因产品变形或开裂而导致的制造失败。在支撑结构生成的相关技术上，国内外已经在这方面做了许多研究，并且一些商业软件也提供了相应的解决方案。然而在实际生产环节中，直接根据商业软件提供的支撑结构方案进行制造，大多数产品都会出现严重的变形、开裂等情况，产品制造的成功率很低。因此，设计人员都会根据个人经验，在软件提供的支撑结构方案上进行添加或修改后再投入生产，但是这一举措也无法稳定有效地提高零部件生产的成功率。在一些增材制造企业中，每年因制造失败而造成的损失就高达数百万元，而且相关设计人员的培养也需大量的失败经验及时间成本，制造失败对于企业造成的经济损失成了一项不可忽视的成本开支。

现有商业软件对支撑结构的解决方案基本都围绕产品的几何构造展开，忽略了材料本身的力学性能影响，而导致产品在加工过程中变形、开裂的根本原因——热变形和残余应力，则与被加工产品的材料的力学性能息息相关。现有软件生成的支撑方案在不少部位采用均匀分布、尺寸一致的支撑结构，并未考虑到不同部位由于变形和应力的差异，对支撑结构有不同的要求。现有商业软件提供的支撑结构方案结合设计人员的个人经验虽然可以在一定程度上提高制造的成功率，但是从力学的角度来说，其存在着先天缺陷，此外也有个人主观因素在内，无法完善、客观地提供支撑结构解决方案，尤其针对造型复杂的产品，有经验的工程师也往往无法给出有意义的支撑形式。为解决制造成功率很低这一问题，本发明在被加工产品几何构造的基础上，考虑产品材料的力学性能，并将拓扑优化技术作为支撑结构生成的方法，这样的解决方案考虑问题更加客观全面，也更具备实际参考价值。

发明内容

针对现有支撑结构生成解决方案的不足，本发明提供了一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法。它不仅考虑了产品的几何构造，也将材料的力学性能等重要参数纳入参考，通过拓扑优化技术进行支撑结构的生成，且生成的结构遵循了增材制造的特性。相比基于几何构造的支撑生成方法，该方法生成的支撑结构有效减小了产品制造过程中的变形及残余应力，降低了产品变形及开裂的风险，提高了制造的成功率；此外，该方法无需依赖设计人员的个人经验，操作便捷简单。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法，其技术方案如下：

步骤一：读取产品的三维模型，得到其几何构造等信息；

步骤二：设定增材制造时的产品摆放、基板和制造设备的参数，再根据给定的参数信息生成支撑结构的设计区域；

步骤三：设定产品和基板的材料参数，对基板、模型和设计区域进行网格划分，将设计区域内各网格的材料填充率作为拓扑优化的设计变量，根据增材制造的需求，设置拓扑优化的目标函数及约束条件；

步骤四：利用拓扑优化方法对支撑结构的设计区域进行优化，去掉支撑效率低以及不利于增材制造的材料，最终保留下来的材料就是优化得到的支撑结构方案。

在一些实施方式中，步骤一的产品模型，模型需包含完整的产品几何构造信息。

在一些实施方式中，步骤二中设计区域的生成需考虑产品的几何构造、基板的尺寸以及设备支持的最大加工尺寸。

在一些实施方式中，步骤三将模型、基板和设计区域离散化为网格，且设计区域的材料在各网格的填充率在[0，1]之间变化，填充率为0表示无材料，1表示实心材料；填充率在0至1之间可以根据填充率生成对应等效刚度和密度的填充结构，或者设定一个阈值，低于此阈值的按0处理，高于此阈值的当做1处理。

在一些实施方式中，步骤四通过拓扑优化方法，在遵循增材制造特性的前提下对支撑结构的设计区域进行材料分布的优化，生成有效的支撑结构。

本发明与现有支撑结构生成的解决方案相比，具有以下优点及突出性效果：

1)支撑结构通过拓扑优化算法自动生成，对设计人员的个人经验无依赖性。