[发明专利]一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法及轻量化结构

说明书

本发明公开了一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法及轻量化结构，所述轻量化设计方法包括以下步骤：1)、以板状结构零件的三维模型为操作对象，根据板状结构零件的模型结构进行抽壳处理获得空心壳体，所述空心壳体至少包括对称设置的2片外壳板；2)、在空心壳体内部填充支撑结构，所述支撑结构通过焊接方式与空心壳体连接为一体。本发明针对板状结构的零部件，将成熟的加工制造方法与轻量化设计相融合，在板状结构零部件的重量降低、强度提升、工艺可行性提升、研发周期缩短等方面具有显著优势。

技术领域

本发明涉及结构设计、机械加工和焊接等制造领域，具体涉及一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法及轻量化结构。

背景技术

在航天、航空、汽车等制造领域对零部件的重量较为敏感。尤其在航天领域，每减重1克便可以显著缩减燃料消耗、节约发射费用。在航空领域，减轻零部件重量可以提高续航里程、提升燃油经济性。在汽车领域，减轻零部件重量可以减少燃油消耗、保护环境。因此，轻量化设计已成为制造领域的重要发展方向之一。

现在常用的轻量化设计方法之一是拓扑优化，其基本原理是：确定零部件的轻量化潜质和需求；搞清楚零部件的使用工况和边界条件，例如固定方式以及受力工况等；确定基本性能指标，比如结构强度、刚度以及低阶频率等；选择要进行拓扑优化的设计变量，比如密度、体积等，确定了设计变量以后还需要确定要优化的设计区域以及非设计区域；最后确定约束条件以及目标函数，在分析软件上提交到求解器进行求解。拓扑优化在充分挖掘零部件潜力方面具有巨大优势。但其流程较为复杂、入门门槛较高、且与制造工艺脱节，这使其具体应用受到了限制。

为了降低轻量化设计的入门门槛、提高轻量化设计的工艺可行性，需要开发出普适性更高、通用性更好的轻量化设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，本发明针对板状结构的零部件，将成熟的加工制造方法与轻量化设计相融合，在板状结构零部件的重量降低、强度提升、工艺可行性提升、研发周期缩短等方面具有显著优势。

此外，本发明还提供基于上述轻量化设计方法的轻量化结构。

本发明通过下述技术方案实现：

一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，包括以下步骤：

1)、以板状结构零件的三维模型为操作对象，根据板状结构零件的模型结构进行抽壳处理获得空心壳体，所述空心壳体至少包括对称设置的2片外壳板；

2)、在空心壳体内部填充支撑结构，所述支撑结构通过焊接方式与空心壳体连接为一体。

本发明所述的三维模型和抽壳处理是一种实现轻量化结构的表述方法，具体实施方式包括采用零件平面图、草图等方法；根据零件的使用要求，根据需要在零件抽壳处理之前或之后，对零件的三维形貌及尺寸进行变更，以充分满足轻量化的设计需，例如，增加板状结构外形面的厚度，然后基于轻量化结构并使用同等重量材料或更少材料获得更大的刚性。所述板状结构零件括壁厚均匀的零件、壁厚不均匀的零件、非平整的弯曲零件、弧形面板的零件等。

本发明所述外壳板的厚度、支撑结构的厚度以及支撑结构分布的疏密度均可调节。

本发明通过调整壳体壁厚、支撑结构壁厚、支撑分布疏密，可以实现轻量化设计构件的重量及其力学性能的调整。通常而言，壳体壁厚增加、支撑结构壁厚增加或支撑分布加密可以增强构件的力学性能并同时削弱轻量化效果；反之亦然。

若轻量化设计的面向对象为承力构件时，采用计算模拟或实验方法对轻量化设计构件进行强度校核与验证。

本发明针对板状结构的零部件，将成熟的加工制造方法与轻量化设计相融合，在板状结构零部件的重量降低、强度提升、工艺可行性提升、研发周期缩短等方面具有显著优势。

进一步地，外壳板的厚度为等壁厚或变壁厚。