CN106844817A - 一种能够调节零部件形变的亚表面结构设计方法 - Google Patents

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韩品连
赵李明
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Abstract

本发明提供了一种能够调节零部件形变的亚表面结构设计方法，包括如下步骤：（1）根据零部件要求，设计出零部件的三维模型；（2）对三维模型进行有限元分析，获取零件各部分的质量分布、应力分布、形变量和泊松比的参数；（3）由步骤（2）中获取的参数，根据零件各部分的质量分布，形变量、应力的大小和泊松比，选择符合要求的球体结构单元进行填充，形成相应的亚表面结构。本发明的有益效果是：本方法改变了零部件的亚表面结构，在零部件的亚表面中填充球体，通过改变球体的填充度，球体之间的位置关系和接触面的大小，球体的材质，以及球体在不同部位的填充密度等方面，达到调节零部件形变的目的。

Description

一种能够调节零部件形变的亚表面结构设计方法
技术领域
本发明涉及结构设计技术领域，尤其涉及一种能够调节零部件形变的亚表面结构设计方法。
背景技术
目前，工程零部件在使用过程可能受到压力，离心力等力的影响，使得零部件在某些部分的某些方向上的形变超出合理范围从而影响了零部件的使用效果。
发明内容
本发明提供了一种能够调节零部件形变的亚表面结构设计方法，包括如下步骤：
(1)根据零部件要求，设计出零部件的三维模型；
(2)对三维模型进行有限元分析，获取零件各部分的质量分布、应力分布、形变量和泊松比的参数；
(3)由步骤(2)中获取的参数，根据零件各部分的质量分布，形变量、应力的大小和泊松比，选择符合要求的球体结构单元进行填充，形成相应的亚表面结构。
作为本发明的进一步改进，该亚表面结构设计方法还包括：(4)对步骤(3)中设计出的亚表面结构进行进一步的力学分析，分析其是否达到调节形变的目的。
作为本发明的进一步改进，步骤(2)中获取的泊松比和形变量参数是零件任意部分任意方向上的数值。
作为本发明的进一步改进，步骤(3)中调节形变量的方法包括改变球体结构单元的填充度、材质、球体结构单元之间的位置关系和接触面大小、球体结构单元在不同部分的填充密度。
作为本发明的进一步改进，在步骤(2)中，对三维模型用UG软件或ANSYS软件模拟出该零件在实际使用过程中受到相应外力作用时，实体各部分的形变量和形变方向，以及各部分在任意方向上的泊松比。
作为本发明的进一步改进，在步骤(3)中，在要进一步降低形变量的部位，填充由高强度材质组成的且填充度比原填充度高的球单元，并提高球单元的密度，并根据步骤(2)中得出的参数，在该部位形变量大的方向上和泊松比大的方向上将球单元按三棱锥方式排列，并调整球单元的接触面积。
作为本发明的进一步改进，在步骤(3)中，在要进一步增加形变的部位，选择填充由较软材质组成的且填充度比原填充度低的球单元，并降低球单元的分布密度，同时可以达到节省材料和减轻零部件整体重量的目的。
作为本发明的进一步改进，在步骤(4)中，对步骤(3)中设计的亚表面结构进一步模拟分析，分析各部分的形变量和形变方向，以及各部分在某方向上的泊松比，并不断优化结构。
作为本发明的进一步改进，填充度比原填充度高的球单元是指：在要进一步减小形变的部位，预设填充度为10％的球单元并进行分析，然后在此基础上依次增大2％的填充度并依次进行分析，选用当零件形变量减小到工程允许范围内时的最小填充度。
作为本发明的进一步改进，填充度比原填充度低的球单元是指：在要进一步增加形变的部位，预设填充度为90％的球单元并进行分析，然后在此基础上依次减小2％的填充度并依次进行分析，选用当零件形变量增加到所需范围内的最小填充度。
本发明的有益效果是：本方法改变了零部件的亚表面结构，在零部件的亚表面中填充球体，通过改变球体的填充度，球体之间的位置关系和接触面的大小，球体的材质，以及球体在不同部位的填充密度等方面，达到调节零部件形变的目的。
附图说明
图1是本发明中球单元的空间结构图，其中以球体为结构单元，将球按照正三棱锥排列；
图2是本发明中球单元的空间结构图，其中两个球体单元相交的关系结构；
图3是本发明中球单元的空间结构图，其中两个球单元相离，但相离距离较近；
图4是本发明中球单元的空间结构图，其中两球相互接触；
图5是本发明的方法流程图。
具体实施方式
如图5所示，本发明公开了一种能够调节零部件形变的亚表面结构设计方法，包括如下步骤：
(1)根据零部件要求，设计出零部件的三维模型；
(2)对三维模型进行有限元分析，获取零件各部分的质量分布、应力分布、形变量和泊松比的参数；
(3)由步骤(2)中获取的参数，根据零件各部分的质量分布，形变量、应力的大小和泊松比，选择符合要求的球体结构单元进行填充，形成相应的亚表面结构。
该亚表面结构设计方法还包括：(4)对步骤(3)中设计出的亚表面结构进行进一步的力学分析，分析其是否达到调节形变的目的。
步骤(2)中获取的泊松比和形变量参数是零件任意部分任意方向上的数值。
步骤(3)中调节形变量的方法包括但不仅限于改变球体结构单元的填充度、材质、球体结构单元之间的位置关系和接触面大小、球体结构单元在不同部分的填充密度。
在步骤(2)中，对三维模型用UG软件或ANSYS软件模拟出该零件在实际使用过程中受到相应外力作用时，实体各部分的形变量和形变方向，以及各部分在任意方向上的泊松比。
在步骤(3)中，在要进一步降低形变量的部位，填充由高强度材质组成的且填充度比原填充度高的球单元，并提高球单元的密度，并根据步骤(2)中得出的参数，在该部位形变量大的方向上和泊松比大的方向上将球单元按三棱锥方式排列，并调整球单元的接触面积。
在步骤(3)中，在要进一步增加形变的部位，选择填充由较软材质组成的且填充度比原填充度低的球单元，并降低球单元的分布密度，同时可以达到节省材料和减轻零部件整体重量的目的。
在步骤(4)中，对步骤(3)中设计的亚表面结构进一步模拟分析，分析各部分的形变量和形变方向，以及各部分在某方向上的泊松比，并不断优化结构。
零部件的外形往往是固定下来的，不宜更改，但可以通过改变零部件的亚表面结构，来实现改变零部件力学性能的目的。同时，球作为基本的结构单元，结构简单，易通过结构设计维持该零件的力学性能。在制造上，本发明的设计完全可以依靠3D打印实现。
通过本发明可以调节控制零部件在使用过程中的形变，本方法改变了零部件的亚表面结构，在零部件的亚表面中填充球体，通过改变球体的填充度，球体之间的位置关系和接触面的大小，球体的材质，以及球体在不同部位的填充密度等方面，达到调节零部件形变的目的。并且此设计可以依托3D打印制造出来，3D打印无需考虑零件结构的复杂性以及用料情况。此方法可以用于汽车、轮船、航空等工业制造领域的零部件结构设计上。
如图1所示，以球体为结构单元，将球按照正三棱锥排列。Z轴方向为步骤(2)中测算出某部分的形变量最大的方向或该部分Z轴方向的泊松比最大，且想要在该方向进一步减小形变，当Z轴上再施加力时，这样的正三棱锥结构可以起到有效的支持作用。
如图2所示，当步骤(2)中计算出的某部分形变量沿Y轴方向较大或沿Y轴的泊松比较大时，且想要在该方向进一步减小形变，也可以采取两个球体单元相交的关系结构，并在球体中横向添加陶瓷材料，陶瓷材料可以在单方向上承受巨大的压力或在球体中注入D30凝胶以及类似的材料，在受到压力冲击时，增加强度。
在想要增加形变量的地方可以采用如图3所示的结构，即两个球单元相离，但相离距离较近。采用这种设计首先增加了零部件亚表面的孔隙率，减少耗材，减轻重量。另一方面，当两球受到来自横向的压力时，两球相互接触，如图4所示，既达到了形成微小形变的目的，又控制形变不至于过大。
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 (10)

1.一种能够调节零部件形变的亚表面结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据零部件要求，设计出零部件的三维模型；
(2)对三维模型进行有限元分析，获取零件各部分的质量分布、应力分布、形变量和泊松比的参数；
(3)由步骤(2)中获取的参数，根据零件各部分的质量分布，形变量、应力的大小和泊松比，选择符合要求的球体结构单元进行填充，形成相应的亚表面结构。
2.根据权利要求1所述的亚表面结构设计方法，其特征在于，该亚表面结构设计方法还包括：(4)对步骤(3)中设计出的亚表面结构进行进一步的力学分析，分析其是否达到调节形变的目的。
3.根据权利要求1所述的亚表面结构设计方法，其特征在于，步骤(2)中获取的泊松比和形变量参数是零件任意部分任意方向上的数值。
4.根据权利要求1所述的亚表面结构设计方法，其特征在于，步骤(3)中调节形变量的方法包括改变球体结构单元的填充度、材质、球体结构单元之间的位置关系和接触面大小、球体结构单元在不同部分的填充密度。
5.根据权利要求1所述的亚表面结构设计方法，其特征在于，在步骤(2)中，对三维模型用UG软件或ANSYS软件模拟出该零件在实际使用过程中受到相应外力作用时，实体各部分的形变量和形变方向，以及各部分在任意方向上的泊松比。
6.根据权利要求1所述的亚表面结构设计方法，其特征在于，在步骤(3)中，在要进一步降低形变量的部位，填充由高强度材质组成的且填充度比原填充度高的球单元，并提高球单元的密度，并根据步骤(2)中得出的参数，在该部位形变量大的方向上和泊松比大的方向上将球单元按三棱锥方式排列，并调整球单元的接触面积。
7.根据权利要求1所述的亚表面结构设计方法，其特征在于，在步骤(3)中，在要进一步增加形变的部位，选择填充由较软材质组成的且填充度比原填充度低的球单元，并降低球单元的分布密度，同时可以达到节省材料和减轻零部件整体重量的目的。
8.根据权利要求2所述的亚表面结构设计方法，其特征在于，在步骤(4)中，对步骤(3)中设计的亚表面结构进一步模拟分析，分析各部分的形变量和形变方向，以及各部分在某方向上的泊松比，并不断优化结构。
9.根据权利要求6所述的亚表面结构设计方法，其特征在于，填充度比原填充度高的球单元是指：在要进一步减小形变的部位，预设填充度为10％的球单元并进行分析，然后在此基础上依次增大2％的填充度并依次进行分析，选用当零件形变量减小到工程允许范围内时的最小填充度。
10.根据权利要求7所述的亚表面结构设计方法，其特征在于，填充度比原填充度低的球单元是指：在要进一步增加形变的部位，预设填充度为90％的球单元并进行分析，然后在此基础上依次减小2％的填充度并依次进行分析，选用当零件形变量增加到所需范围内的最小填充度。
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