CN106599348A - 用于解决构件应力集中的亚表面细网结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于解决构件应力集中的亚表面细网结构设计方法，包括如下步骤：（1）获取实体模型和工况，通过分析获取应力集中问题，得到作用域、应力集中系数、以及对于材料的损伤程度的物理性参数；（2）根据步骤（1）获取的工况和应力集中问题，对于应力集中已接近或超过材料承受临界的，或应力集中系数极高的问题，应避开强作用区域，在周围区域以由计算和实验获得的规律分布基于球单元的亚表面细网结构；对于应力集中但低于材料承受临界的问题，在该区域及周边进行亚表面设计，以避免出现应力集中点。本发明的有益效果是：解决外形基本定型的大型机械构件中出现的应力集中问题，同时也实现了在亚表面层面的轻量化设计。
Description
技术领域
本发明涉及产品设计技术领域，尤其涉及用于解决构件应力集中的亚表面细网结构设计方法。
背景技术
现今工业工程中普遍存在构件由于工况应力集中，导致寿命锐减的情况。其设计部分盲目追求轻量化或高强度，更多的由于外部形状的固定，使得集中问题通过常规结构设计难以解决。
发明内容
本发明提供了一种用于解决构件应力集中的亚表面细网结构设计方法，包括如下步骤：
（1）获取实体模型和工况，通过分析获取应力集中问题，得到作用域、应力集中系数、以及对于材料的损伤程度的物理性参数；
（2）根据步骤（1）获取的工况和应力集中问题，对于应力集中已接近或超过材料承受临界的，或应力集中系数极高的问题，其会快速损伤构件，应避开强作用区域，在周围区域以由计算和实验获得的规律分布基于球单元的亚表面细网结构，使应力分散出集中位置；对于应力集中但低于材料承受临界的问题，其会在长期积累中损伤构件，在该区域及周边进行亚表面设计，以避免出现应力集中点。
作为本发明的进一步改进，该亚表面细网结构设计方法还包括：
（3）对构件进行应力分布测试；
（4）重复步骤（2）与步骤（3），以不断优化设计方案，在积累一定设计实例之后，通过归纳总结建立关于应力集中问题的亚表面细网结构设计库。
作为本发明的进一步改进，在步骤（3）中，测试方法包括计算机数值分析或光弹性实体测试。
作为本发明的进一步改进，所述球单元包括球壳、多孔球壳、实心球体。
本发明的有益效果是：本发明通过亚表面细网结构设计，尤其可以解决外形基本定型的大型机械构件中出现的应力集中问题，同时也实现了在亚表面层面的轻量化设计。其可以既可应用于航空航天等领域的对强度、轻量等有极高要求的大型机械构件当中，也可以应用于精密加工等领域的精密零件结构设计中。
具体实施方式
本发明公开了一种用于解决构件应力集中的亚表面细网结构设计方法，包括如下步骤：
（1）获取实体模型和工况，得到有限元分析结果，通过分析获取应力集中问题，得到作用域、应力集中系数、以及对于材料的损伤程度的物理性参数；
（2）根据步骤（1）获取的工况和应力集中问题，对于应力集中已接近或超过材料承受临界的，或应力集中系数极高的问题，其会快速损伤构件，应避开强作用区域，在周围区域以由计算和实验获得的规律分布基于球单元的亚表面细网结构，使应力分散出集中位置；对于应力集中但低于材料承受临界的问题，其会在长期积累中损伤构件，在该区域及周边进行亚表面设计，以避免出现应力集中点；
（3）对构件进行应力分布测试；
（4）重复步骤（2）与步骤（3），以不断优化设计方案，在积累一定设计实例之后，通过归纳总结建立关于应力集中问题的亚表面细网结构设计库，以求对相关领域的设计进行指导。
在步骤（3）中，测试方法包括计算机数值分析或光弹性实体测试，对光弹性实体测试可结合增材制造技术，用3D打印材料制作比例模型，应用上述方法，进行应力分布测试。
所述球单元包括球壳、多孔球壳、实心球体。
亚表面球单元结构虽然在设计表达上十分简单，但其仿生等的结构使得其具备优良的性能，而且增材制造技术的发展为其工业制造铺平道路。
增材制造技术的原理是，将三维的实体的数字模型离散化成切片模型，通过逐层覆盖原材料，逐渐堆叠，最终完成实体打印。其打印材料多样，包括金属粉末、树脂等。增材制造技术具有可简化工业生产流程、可节约原材料、可完成复杂实体制造等优点，极大减少了设计限制，还可以和传统减材制造结合，提升工业效能。
本发明公开了一种固定构件外观结构，通过构件实体部分的亚表面球单元结构设计，解决构件工况下产生的应力集中问题的方法。方法步骤主要包括： 获取实体工况问题；在应力集中区域通过多维度分析，进行基于球单元的亚表面细网结构设计；不断测试和改进设计方案，并且完善成为一个相关问题的系统性设计库。
本方法通过亚表面细网结构设计，尤其可以解决外形基本定型的大型机械构件中出现的应力集中问题，同时也实现了在亚表面层面的轻量化设计。其可以既可应用于航空航天等领域的对强度、轻量等有极高要求的大型机械构件当中，也可以应用于精密加工等领域的精密零件结构设计中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于解决构件应力集中的亚表面细网结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）获取实体模型和工况，通过分析获取应力集中问题，得到作用域、应力集中系数、以及对于材料的损伤程度的物理性参数；
（2）根据步骤（1）获取的工况和应力集中问题，对于应力集中已接近或超过材料承受临界的，或应力集中系数极高的问题，其会快速损伤构件，应避开强作用区域，在周围区域以由计算和实验获得的规律分布基于球单元的亚表面细网结构，使应力分散出集中位置；对于应力集中但低于材料承受临界的问题，其会在长期积累中损伤构件，在该区域及周边进行亚表面设计，以避免出现应力集中点。
2.根据权利要求1所述的亚表面细网结构设计方法，其特征在于，该亚表面细网结构设计方法还包括：
（3）对构件进行应力分布测试；
（4）重复步骤（2）与步骤（3），以不断优化设计方案，在积累一定设计实例之后，通过归纳总结建立关于应力集中问题的亚表面细网结构设计库。
3.根据权利要求2所述的亚表面细网结构设计方法，其特征在于，在步骤（3）中，测试方法包括计算机数值分析或光弹性实体测试。
4.根据权利要求1所述的亚表面细网结构设计方法，其特征在于，所述球单元包括球壳、多孔球壳、实心球体。
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