[发明专利]一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法

权利要求书

1.一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立连续纤维复合材料拓扑优化模型：根据优化目标，确定设计域，并将设计域离散为n个有限元单元；同时初始化设计变量，定义ρ_i为第i个单元对应的伪密度，θ_i为第i个单元对应的纤维角度，将单元伪密度ρ_i和纤维角度θ_i同时作为设计变量；

2)建立伪密度与纤维含量的映射关系，定义材料属性：对离散后的有限元结构进行前处理，建立伪密度与纤维含量的映射关系，得到每个单元的纤维含量值，并结合纤维角度，带入各向异性材料本构模型中，得到每个单元的材料属性，包括材料的纵向和横向弹性模量、泊松比和面内剪切模量；

3)建立有限元分析模型：对步骤2)得到的每个单元结构刚度进行叠加与变密度惩罚，得到节点的虚拟刚度，对结构进行有限元分析求解，得到结构节点位移；

4)计算目标函数及其灵敏度：根据步骤2)得到的结构刚度和步骤3)得到的结构节点位移，利用数值计算软件求解拓扑优化结构的目标函数，即结构应变能；以及结构灵敏度，即目标函数对设计变量的导数，并对密度灵敏度进行过滤；

5)优化更新设计变量：选择拓扑优化求解方法，根据步骤4)计算出的目标函数及其灵敏度的值，迭代更新设计变量，得到新的单元伪密度ρ_i'和纤维角度θ_i'；

6)判断迭代是否满足收敛条件：分别判断步骤5)中的单元伪密度和纤维角度是否同时满足收敛条件max(ρ_i'-ρ_i)0.001max(θ_i'-θ_i)0.001，即前后两次单元伪密度和纤维角度变化同时小于阈值0.001；若不满足收敛条件则继续迭代，若满足则停止循环得到最终拓扑优化结构；

7)完成3D打印样件制备：将步骤6)得到的最终拓扑优化结构按生成的纤维角度连起来，生成3D打印路径，同时将步骤2)得到的纤维含量值结合连续纤维增强3D打印工艺，计算出打印时的各项工艺参数，得到3D打印指令文件，最终完成变纤维含量的连续纤维拓扑优化结构的制备。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法，其特征在于：所述的步骤1)、步骤2)、步骤3)中采用的软件为ANSYS、ABAQUS、MATLAB、COMSOL、icepark、flotherm、MicroWave Studio、HFSS或Mafia。

3.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法，其特征在于：所述的步骤2)中伪密度与纤维含量的映射关系为最小-最大规范化映射关系、零-均值规范化映射关系或Sigmoid函数映射关系。

4.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法，其特征在于：所述的步骤4)、步骤5)、步骤6)中数值计算采用的软件为MATLAB、C#、C++或Fortran。

5.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法，其特征在于：所述的步骤5)中拓扑优化求解方法为优化准则法、移动渐进线法、序列线性规划法、序列二次规划法、内点法、有效集法或信赖域有效算法。