【CN109783950A】增材制造中连通结构的拓扑优化设计方法【专利】

权利要求书1页 说明书4页 附图2页
CN 109783950 A
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权 利 要 求 书
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1 .一种增材制造中连通结构的拓扑优化设计方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤一、实体区域初始分布m个孔洞特征，并且孔洞特征的中心点全部位于实体区域的 边界上； 步骤二、利用KS函数得到整体结构的水平集函数Φ；
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(21)申请号 201910056048 .7 (22)申请日 2019 .01 .22 (71)申请人 西北工业大学
地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 张卫红 周璐 高彤 (74)专利代理机构 西北工业大学专利中心
拓扑优化设计方法，用于解决现有连通结构的拓 扑优化方法实用性差的技术问题。技术方案是在 实体设计区域内布置一定数目封闭的孔洞特征， 通过孔洞的移动、变形、融合、缩小和膨胀等行为 来驱 动结构的 拓扑布 局演变。此外 ，每个孔 洞特 征的中心点被控制在设计域之外，使孔洞特征不 能完全进入到设计域之内形成封闭的孔洞，来达 到结构连通的目的 。相比 背景技术的 设计方法 ， 本发明无需进行温度场分析，计算量少。此外，设 计变量和单元无关，数目少、易收敛。本发明设计 的 结构边界光滑 ，内部不存在中间 密度单元 ，有 利于工程设计人员进行模型重构等后处理过程， 实用性好。
背景技术 [0002] 增材制造过程中，对于内部含封闭孔洞的结构，由于无法去除支撑材料或者未熔 融的金属粉末，需要二次修正或者结构分区制造，这大大增加了制造的工艺难度，提高了成 本。因此在结构拓扑优化设计时考虑结构的 连通性 ，即在寻找最优结构的同时 满足结构内 部不存在封闭孔洞的要求，具有非常重要的工程应用价值。 [0003] 文献“Q .Li ,W .Chen ,S .Liu ,L .Tong ,Structural topology optimization considering connectivity constraint ,Structural and Multidisciplinary Optimization ,54(2016)971-984”公开了一种连通结构构型的拓扑优化方法。文献提出的 虚拟温 度场理论是以 密度法为基础 ，空单元中存在高导热且自发热的 材料 ，实体单元中 则 填充隔热材料。通过这种方法 ，结构封闭 孔洞处 产生的 热量不能耗散 ，保持较高的温度。反 之 ，对于连通结构 ，空单元产生的热量直接传递到散热边界 ，使整体结构温度降 低。所以 ，文 献 将连通性条件转化为结 构的 最大温 度小于有限 值的 约束 ，并 应 用于结 构拓扑优化设计 中，实现了最优拓扑结构的连通性控制。 [0004] 文献所述方法虽然可以得到连通结构，但是为了实现结构的连通性，除了力学分 析之外还需进行一次温度场分析来获得结构的最大温度，增加了计算量。此外，设计变量数 目多、收敛慢也是不可忽视的问题。中间密度单元的存在使设计的结果不明确，且边界成锯 齿状，这大大地增加了重构的工作量，难以应用于工程实际。
61204 代理人 王鲜凯 (51)Int .Cl . G06F 17/50(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109783950 A (43)申请公布日 2019.05.21
( 54 )发明 名称 增材制造中连通结构的拓扑优化设计方法
( 57 )摘要 本发明公开了一种增材制造中连通结构的
量 ,dt表示第t个设计变量，它的上限和下限分别是dt和 步骤五 、对上面建立的 模型进行一次 有限 元分析 ，分 别对目 标函数 和约束函数进行灵
敏度分析；选取优化算法GCMMA进行优化设计，得到最优化结果。
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说 明 书
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增材制造中连通结构的拓扑优化设计方法
技术领域 [0001] 本发明涉及一种连通结构的拓扑优化方法，特别涉及一种增材制造中连通结构的 拓扑优化设计方法。
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[0009]
[0010] 式中，φi为第i个孔洞特征的水平集函数。ln和e为自然对数和自然指数计算，p为 KS函数的参数，且p>0，代表布尔并操作，负号代表特征是孔洞特征。 [0011] 步骤三、采用固定网格将实体区域离散，同时定义载荷和边界条件。 [0012] 步骤四、定义拓扑优化问题为： [0013] Min J＝FU
式中，vi为第i个孔洞特征的水平集函数；ln和e为自然对数和自然指数计算，p为KS函数 的参数，且p>0，代表布尔并操作，负号代表特征是孔洞特征；
步骤三、采用固定网格将实体区域离散，同时定义载荷和边界条件； 步骤四、定义拓扑优化问题为： Min J＝FU
式中J，V和 表示结构的柔顺度，总体积和最大体积约束；K、F和U分别表示结构的总体 刚度矩阵 ，总体载荷向量和位移向量 ；Ω表示实体区域 ，H是指Heaviside函数 ，用来筛选参 与计算的积分点，x是积分点的坐标； 是设计变量向量，包括了优化问题中所有的设计变
发明内容 [0005] 为了克服现有连通结构的拓扑优化方法实用性差的不足，本发明提供一种增材制 造中连通结构的拓扑优化设计方法。该方法在实体设计区域内布置一定数目封闭的孔洞特 征 ，通过孔洞的 移动、变形 、融合、缩小和膨胀等行为来驱 动结构的 拓扑布局演变。此外 ，每 个孔洞特征的中心点被控制在设计域之外，使孔洞特征不能完全进入到设计域之内形成封 闭的 孔 洞 ，来达到结构连通的目的 。相比 背景技术的 设计方法 ，本发明无需 进行温 度场分 析，计算量少。此外，设计变量和单元无关，数目少、易收敛。本发明设计的结构边界光滑，内 部不存在中间密度单元，有利于工程设计人员进行模型重构等后处理过程，实用性好。 [0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种增材制造中连通结构的拓扑优化 设计方法，其特点是包括以下步骤： [0007] 步骤一、实体区域初始分布m个孔洞特征，并且孔洞特征的中心点全部位于实体区 域的边界上。 [0008] 步骤二、利用KS函数得到整体结构的水平集函数Φ。