[发明专利]一种航空波纹管胶膜结构轻量化优化方法

说明书

本发明涉及航空橡胶模具设计领域，具体是一种航空波纹管胶膜结构轻量化优化方法，其具体步骤如下：S1；三维模型构建；S2；模型部分重构优化；S3；拓扑优化；S4；利用Magics软件建立点阵结构；S5；合并填充；S6；模拟仿真；S7；下模和模芯的优化方法同上模，采用本发明中的拓扑优化和点阵结构结合的优化方法轻量化航空波纹管橡胶模具，结合金属3D打印工艺特点，改变传统波纹管胶膜结构设计思路，将轻量化的理念引入到模具设计中，在保证刚度、强度和使用性能的同时，减轻橡胶模具本身的30％以上，同时提高材料利用率。

技术领域

本发明涉及航空橡胶模具设计领域，具体是一种航空波纹管胶膜结构轻量化优化方法。

背景技术

航空橡胶波纹管主要作隔离防尘套，用于隔离空气中的灰尘和机器部件，橡胶波纹管图样如图1和图2所示，其传统成形工艺为模压硫化，用于压制成形的模具称为胶膜。传统的波纹管胶膜采用机械加工减材的方式制造，其结构设计除了结合本身产品特点以外，还综合考虑了机械加工难易程度。其结构由上模、下模和模芯三个部分构成，传统胶膜图纸如图3和图4所示。

传统的航空波纹管胶膜存在加工工序多、成本高、型腔面加工难度大和模具笨重等缺点。金属3D打印作为信息化和制造技术的高度融合，能够实现高性能复杂结构零件的快速制造，因此可采用金属3D打印技术快速制造胶膜，但是如果沿用传统胶膜结构模型直接打印，则意义不大。因此需要对模具结构综合3D打印技术特点进行优化重构。

点阵结构由某种单胞通过大量相同的点阵单元周期性地组合而成，同时可以满足强度、韧性、耐久性等性能要求。拓扑优化结构是多个载荷作用下的最佳材料设计方案，同时能够保持良好的使用性能。因此结合3D打印特点将拓扑优化和点阵结构结合，重新设计航空波纹管胶膜的结构，在满足强度、韧性和使用要求的条件下，实现减重轻量化的和节约材料的目的。

如中国专利申请号为201810972112.1中公开了一种拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法，该方法是针对连接铰结构，将拓扑优化和点阵结构结合，实现轻量化，缺点是未对点阵晶胞结构进行强度拉伸试验，同时设计方法中没有提及添加余量部分。拓扑优化和点阵结构结合的轻量化航空波纹管胶膜与上述描述的中国专利有以下不同点：一是针对的产品结构不同，连接铰是连接两个固体，并且在两者之间做转动的机械装置，橡胶模具是用来模压硫化橡胶制品的工装；二是两者受力状态、使用环境完全不同；三是两者结构不同。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种航空波纹管胶膜结构轻量化优化方法。

一种航空波纹管胶膜结构轻量化优化方法，其具体步骤如下：

S1：三维模型构建：根据航空橡胶波纹管胶膜二维图纸构建三维模型；

S2：模型部分重构优化：金属3D打印工艺可一体化成形复杂结构，采取分式结构一体化，重构优化形成三维模型；

S3：拓扑优化：重构的波纹管胶膜为装配结构，主要包括上模、下模、模芯三部分，需要先对上模进行拓扑优化，再通过系统运算得出初步优化结果，需要对初步优化的模型进行PolyNUBS建模处理，再进行平滑处理；

S4：利用Magics软件建立点阵结构：将三维模型图导入到Magic软件中，选用晶格结构，将三种晶格设计成拉伸试样，对其进行拉伸试验；

S5：合并填充：导入拓扑优化模型图至Magic软件中，将两个模型放置在一个坐标系中合并，利用布尔运算将点阵结构合并填充到拓扑优化模型中，形成轻量化模型；

S6：模拟仿真：将轻量化模型图导入有限元分析软件中，设定航空波纹管橡胶模具载荷参数、材料属性及边界条件进行分析验证，判断分析结果是否达到预期目标，满足则模型轻量化成功，不满足则将重复步骤S3、步骤S4、步骤S5、步骤S6直至达到预期目标；

S7：下模和模芯的优化方法同上模。