CN105912803A - 一种基于增材制造的产品轻量化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于增材制造的产品轻量化设计方法，步骤为：1.建立参数化多孔结构数据库，建立各类参数化结构与力学性能的对应关系；2.对原始产品模型结构进行有限元分析；3.调整参数化单元体结构，满足依据产品中不同网格区域对力学性能的差异需求；4.使用轻量化单元结构对产品中性能过剩的区域进行填充替换；5.使用有限元分析对轻量化产品结构进行力学性能校核。结合有限元分析及参数化多孔结构的梯度分布设计，在满足力学性能的前提下，针对功能件不同部位的性能需求采用不同的轻量化策略，实现合理高效的轻量化设计，并使用增材制造方法制备轻量化产品。

Description

一种基于增材制造的产品轻量化设计方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种基于增材制造的产品轻量化设计方法。
背景技术
随着增材制造技术的发展，使得产品的轻量化设计得到了极大程度的解放，为各种复杂轻量化结构制造提供了有利的生产制造方式。
轻量化技术是一个系统工程，其最终目标是实现性能、重量和成本等因素的综合优化。传统制造方法难以制造出造型复杂的轻量化结构，且无法按照性能的需求实现特定的结构分布，传统制造对设计的限制，使得轻量化面临发展的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于增材制造的产品轻量化设计方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于增材制造的产品轻量化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：建立参数化轻量单元体数据库，轻量化单元体的结构包括极小曲面单元体、骨组织结构单元体、桁架结构单元体，并对不同种类、大小、特征形貌、密度分布、组合方式下的轻量化单元体结构进行力学性能分析，建立参数化结构与力学性能的对应关系；
步骤2：模拟产品的真实工作情况，对原始产品模型结构进行有限元分析，得到应力分布图；
步骤3：根据所得有限元应力分析结果，针对产品中不同区域对力学性能的差异要求，调整参数化单元体结构的种类、大小、特征形貌、密度分布、组合方式，构建性能与之相应的梯度功能零部件；
步骤4：在参数化集成设计系统中，使用轻量化单元结构对产品中性能过剩的区域进行填充替换，不同性能要求的区域采用不同的轻量化单元结构，相邻区域间使用渐变的单元体结构进行过渡，避免在结构突变处产生应力集中，影响产品性能；
步骤5：对等效变换后的产品结构使用有限元分析进行力学性能校核，符合预期效果的即为优化的轻量化功能件，不符合预期效果的则重复步骤3、步骤4直至优化设计的有限元分析结果符合预期；
步骤6：依据步骤5所述优化设计的有限元分析结果，转换成可用于增材制造的数据格式，采用增材制造方法进行成型，即得轻量化功能零部件。
上述步骤1中所述参数化轻量单元体，包括通过三维建模软件正向建模得到的结构，也包括通过逆向工程得到的结构。
上述步骤1中所述极小曲面单元体，包括Primitive极小曲面、Diamond极小曲面或者Gyroid极小曲面。
上述步骤1中所述骨组织结构单元体，包括基于逆向工程得到的骨小梁结构或者基于正向设计得到的仿生骨组织结构。
上述步骤1中所述桁架结构单元体，包括正多面体桁架结构。
上述步骤1中所述参数化轻量单元体，是运用参数化建模软件，将轻量化单元体的特征几何形状与尺寸大小用变量参数的方式来表示，实现轻量化结构的参数化设计过程，通过改变建模过程中的特征参数，得到不同种类、大小、不同种类、大小、特征形貌、密度分布、组合方式下的单元体多孔结构，实现结构、重量、力学性能的精准对应关系。
上述步骤6中所述增材制造方法，指依据三维CAD数据，将材料逐层叠加得到实体的制造方法，包括但不限定于激光选区熔化、激光选区烧结、激光近净成形、电子束熔化、熔融沉积制造、立体喷印、光固化成形、分层实体制造。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明结合有限元分析及参数化多孔结构的梯度分布设计，在满足力学性能的前提下，针对功能件不同部位的性能需求采用不同的轻量化策略，实现合理高效的轻量化设计与制造。
本发明的可针对产品结构不同部位的性能(力学)需求分别进行轻量化设计，使得更大程度地在保证零部件自身强度、精度、性能需求的同时，减轻产品自重，节约材料成本；并且用于轻量化设计的参数化结构可以便捷地调整参数以满足各类性能需求，也可通过结构的调整实现相邻区域间的平滑过渡，避免应力突变；使用的增材制造方法可以便捷地成型出传统制造方法无法加工的轻量化结构，更具实用性。
附图说明
图1为本发明基于增材制造的产品轻量化设计方法框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1所示。本发明公开了一种基于增材制造的产品轻量化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：建立参数化轻量单元体数据库，轻量化单元体的结构包括极小曲面单元体、骨组织结构单元体、桁架结构单元体，并对不同种类、大小、特征形貌、密度分布、组合方式下的轻量化单元体结构进行力学性能分析，建立参数化结构与力学性能的对应关系；
步骤2：模拟产品的真实工作情况，对原始产品模型结构进行有限元分析，得到应力分布图；
步骤3：根据所得有限元应力分析结果，针对产品中不同区域对力学性能的差异要求，调整参数化单元体结构的种类、大小、特征形貌、密度分布、组合方式等，构建性能与之相应的梯度功能零部件；
步骤4：在参数化集成设计系统中，使用轻量化单元结构对产品中性能过剩的区域进行填充替换，不同性能要求的区域采用不同的轻量化单元结构，相邻区域间使用渐变的单元体结构进行过渡，避免在结构突变处产生应力集中，影响产品性能；
步骤5：对等效变换后的产品结构使用有限元分析进行力学性能校核，符合预期效果的即为优化的轻量化功能件，不符合预期效果的则重复步骤3、步骤4直至优化设计的有限元分析结果符合预期；
步骤6：依据步骤5所述优化设计的有限元分析结果，转换成可用于增材制造的数据格式，采用增材制造方法进行成型，即得轻量化功能零部件。
上述步骤1中所述参数化轻量单元体，包括通过三维建模软件正向建模得到的结构，也包括通过逆向工程得到的结构。
上述步骤1中所述极小曲面单元体，包括Primitive极小曲面、Diamond极小曲面或者Gyroid极小曲面。
上述步骤1中所述骨组织结构单元体，包括基于逆向工程得到的骨小梁结构或者基于正向设计得到的仿生骨组织结构。
上述步骤1中所述桁架结构单元体，包括正多面体桁架结构。
上述步骤1中所述参数化轻量单元体，是运用参数化建模软件，将轻量化单元体的特征几何形状与尺寸大小用变量参数的方式来表示，实现轻量化结构的参数化设计过程，通过改变建模过程中的特征参数，得到不同种类、大小、不同种类、大小、特征形貌、密度分布、组合方式下的单元体多孔结构，实现结构、重量、力学性能的精准对应关系。
上述步骤6中所述增材制造方法，指依据三维CAD数据，将材料逐层叠加得到实体的制造方法，包括但不限定于激光选区熔化、激光选区烧结、激光近净成形、电子束熔化、熔融沉积制造、立体喷印、光固化成形、分层实体制造。
如上所述，本发明结合有限元分析及参数化多孔结构的梯度分布设计，在满足力学性能的前提下，针对功能件不同部位的性能需求采用不同的轻量化策略，实现合理高效的轻量化设计，并使用增材制造方法制备轻量化产品。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于增材制造的产品轻量化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立参数化轻量单元体数据库，轻量化单元体的结构包括极小曲面单元体、骨组织结构单元体、桁架结构单元体，并对不同种类、大小、特征形貌、密度分布、组合方式下的轻量化单元体结构进行力学性能分析，建立参数化结构与力学性能的对应关系；
步骤2：模拟产品的真实工作情况，对原始产品模型结构进行有限元分析，得到应力分布图；
步骤3：根据所得有限元应力分析结果，针对产品中不同区域对力学性能的差异要求，调整参数化单元体结构的种类、大小、特征形貌、密度分布、组合方式，构建性能与之相应的梯度功能零部件；
步骤4：在参数化集成设计系统中，使用轻量化单元结构对产品中性能过剩的区域进行填充替换，不同性能要求的区域采用不同的轻量化单元结构，相邻区域间使用渐变的单元体结构进行过渡，避免在结构突变处产生应力集中，影响产品性能；
步骤5：对等效变换后的产品结构使用有限元分析进行力学性能校核，符合预期效果的即为优化的轻量化功能件，不符合预期效果的则重复步骤3、步骤4直至优化设计的有限元分析结果符合预期；
步骤6：依据步骤5所述优化设计的有限元分析结果，转换成可用于增材制造的数据格式，采用增材制造方法进行成型，即得轻量化功能零部件。
2.根据权利要求1所述基于增材制造的产品轻量化设计方法，其特征在于，步骤1中所述参数化轻量单元体，包括通过三维建模软件正向建模得到的结构，也包括通过逆向工程得到的结构。
3.根据权利要求1所述基于增材制造的产品轻量化设计方法，其特征在于，步骤1中所述极小曲面单元体，包括Primitive极小曲面、Diamond极小曲面或者Gyroid极小曲面。
4.根据权利要求1所述基于增材制造的产品轻量化设计方法，其特征在于，步骤1中所述骨组织结构单元体，包括基于逆向工程得到的骨小梁结构或者基于正向设计得到的仿生骨组织结构。
5.根据权利要求1所述基于增材制造的产品轻量化设计方法，其特征在于，步骤1中所述桁架结构单元体，包括正多面体桁架结构。
6.根据权利要求1所述基于增材制造的产品轻量化设计方法，其特征在于，步骤1中所述参数化轻量单元体，是运用参数化建模软件，将轻量化单元体的特征几何形状与尺寸大小用变量参数的方式来表示，实现轻量化结构的参数化设计过程，通过改变建模过程中的特征参数，得到不同种类、大小、不同种类、大小、特征形貌、密度分布、组合方式下的单元体多孔结构，实现结构、重量、力学性能的精准对应关系。
7.根据权利要求1所述基于增材制造的产品轻量化设计方法，其特征在于，步骤6中所述增材制造方法，指依据三维CAD数据，将材料逐层叠加得到实体的制造方法，包括但不限定于激光选区熔化、激光选区烧结、激光近净成形、电子束熔化、熔融沉积制造、立体喷印、光固化成形、分层实体制造。
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