CN107729693A - 一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法 - Google Patents

一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107729693A
CN107729693A CN201711125636.9A CN201711125636A CN107729693A CN 107729693 A CN107729693 A CN 107729693A CN 201711125636 A CN201711125636 A CN 201711125636A CN 107729693 A CN107729693 A CN 107729693A
Authority
CN
China
Prior art keywords
supporting construction
design
product
optimization
increasing material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711125636.9A
Other languages
English (en)
Inventor
璧靛悍
赵康
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Digital Mdt Infotech Ltd
Original Assignee
Shanghai Digital Mdt Infotech Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Digital Mdt Infotech Ltd filed Critical Shanghai Digital Mdt Infotech Ltd
Priority to CN201711125636.9A priority Critical patent/CN107729693A/zh
Publication of CN107729693A publication Critical patent/CN107729693A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/04—Constraint-based CAD

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

本发明属于结构优化设计相关技术领域，其公开了一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法。该发明包括以下步骤：(1)读取产品的三维模型，得到其几何构造等信息。(2)根据产品摆放、制造设备和基板的参数，生成支撑结构的设计区域。(3)给定相关材料参数，划分网格，将材料填充率作为设计变量，并设置拓扑优化的目标函数及约束条件。(4)利用拓扑优化方法，对支撑结构的设计区域展开拓扑优化，并最终给出最佳的支撑结构设计方案及相关数据。上述方法将支撑结构的生成看作是一个拓扑优化问题，根据产品的几何结构及材料性能展开支撑结构生成，可以降低产品制造过程中变形、开裂的可能性，提高其制造的成功率。

Description

一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法
技术领域
本发明属于结构优化设计相关技术领域，更具体地，涉及一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法。
背景技术
增材制造，通常也被称作为3D打印或快速成型，发明于上世纪80年代，与传统制造工艺不同，大多数的增材制造技术都通过堆积材料的方法由下向上一层一层进行制造，增材制造在近几年得到了高速的发展并且被成功应用到了实际生产中。支撑结构生成是增材制造中一项重要的设计环节，支撑结构不仅可以约束产品的变形，而且可以通过改变产品的热梯度，进而影响其热变形及残余应力分布，防止产品发生变形或开裂，能够有效预防加工过程中因产品变形或开裂而导致的制造失败。在支撑结构生成的相关技术上，国内外已经在这方面做了许多研究，并且一些商业软件也提供了相应的解决方案。然而在实际生产环节中，直接根据商业软件提供的支撑结构方案进行制造，大多数产品都会出现严重的变形、开裂等情况，产品制造的成功率很低。因此，设计人员都会根据个人经验，在软件提供的支撑结构方案上进行添加或修改后再投入生产，但是这一举措也无法稳定有效地提高零部件生产的成功率。在一些增材制造企业中，每年因制造失败而造成的损失就高达数百万元，而且相关设计人员的培养也需大量的失败经验及时间成本，制造失败对于企业造成的经济损失成了一项不可忽视的成本开支。
现有商业软件对支撑结构的解决方案基本都围绕产品的几何构造展开，忽略了材料本身的力学性能影响，而导致产品在加工过程中变形、开裂的根本原因——热变形和残余应力，则与被加工产品的材料的力学性能息息相关。现有软件生成的支撑方案在不少部位采用均匀分布、尺寸一致的支撑结构，并未考虑到不同部位由于变形和应力的差异，对支撑结构有不同的要求。现有商业软件提供的支撑结构方案结合设计人员的个人经验虽然可以在一定程度上提高制造的成功率，但是从力学的角度来说，其存在着先天缺陷，此外也有个人主观因素在内，无法完善、客观地提供支撑结构解决方案，尤其针对造型复杂的产品，有经验的工程师也往往无法给出有意义的支撑形式。为解决制造成功率很低这一问题，本发明在被加工产品几何构造的基础上，考虑产品材料的力学性能，并将拓扑优化技术作为支撑结构生成的方法，这样的解决方案考虑问题更加客观全面，也更具备实际参考价值。
发明内容
针对现有支撑结构生成解决方案的不足，本发明提供了一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法。它不仅考虑了产品的几何构造，也将材料的力学性能等重要参数纳入参考，通过拓扑优化技术进行支撑结构的生成，且生成的结构遵循了增材制造的特性。相比基于几何构造的支撑生成方法，该方法生成的支撑结构有效减小了产品制造过程中的变形及残余应力，降低了产品变形及开裂的风险，提高了制造的成功率；此外，该方法无需依赖设计人员的个人经验，操作便捷简单。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法，其技术方案如下：
步骤一：读取产品的三维模型，得到其几何构造等信息；
步骤二：设定增材制造时的产品摆放、基板和制造设备的参数，再根据给定的参数信息生成支撑结构的设计区域；
步骤三：设定产品和基板的材料参数，对基板、模型和设计区域进行网格划分，将设计区域内各网格的材料填充率作为拓扑优化的设计变量，根据增材制造的需求，设置拓扑优化的目标函数及约束条件；
步骤四：利用拓扑优化方法对支撑结构的设计区域进行优化，去掉支撑效率低以及不利于增材制造的材料，最终保留下来的材料就是优化得到的支撑结构方案。
在一些实施方式中，步骤一的产品模型，模型需包含完整的产品几何构造信息。
在一些实施方式中，步骤二中设计区域的生成需考虑产品的几何构造、基板的尺寸以及设备支持的最大加工尺寸。
在一些实施方式中，步骤三将模型、基板和设计区域离散化为网格，且设计区域的材料在各网格的填充率在[0，1]之间变化，填充率为0表示无材料，1表示实心材料；填充率在0至1之间可以根据填充率生成对应等效刚度和密度的填充结构，或者设定一个阈值，低于此阈值的按0处理，高于此阈值的当做1处理。
在一些实施方式中，步骤四通过拓扑优化方法，在遵循增材制造特性的前提下对支撑结构的设计区域进行材料分布的优化，生成有效的支撑结构。
本发明与现有支撑结构生成的解决方案相比，具有以下优点及突出性效果：
1)支撑结构通过拓扑优化算法自动生成，对设计人员的个人经验无依赖性。
2)本发明同时考虑了产品的几何构造及材料的力学性能，生成的支撑结构会根据产品的变形，各部位的热梯度及残余应力自动进行适应调整，且生成的结构遵循了增材制造的特性。因此生成的支撑结构方案更加科学、可靠，可以有效地减小产品的变形及残余应力，降低制造失败的风险，减少失败造成的成本开支。
附图说明
图1是本发明一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法的流程图；
图2是产品、基板的尺寸以及如何通过它们与最大加工区域之间的关系得到设计区域的示意图；
图3是各区域进行有限元网格划分后的示意图；
图4是产品基于一般支撑结构方案制造后发生变形的示意图；
图5是基于拓扑优化生成的支撑结构示意图。
具体实施方式
为了更好的说明本方法的发明目的和其自身的优点，下文会通过附图和举例来进行进一步的详细说明。在这里需要声明，该实例仅用于说明本发明，并不用于限定本发明。模型的种类、格式，需要给定的材料及制造设备参数，以及具体采用哪一种拓扑方法对支撑结构进行生成，均可以根据实际问题的不同进行自由的选择和组合。
参考图1，一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法，其技术方案如下：步骤一：读取产品的三维模型，得到其几何构造等信息；步骤二：设定增材制造时的产品摆放、基板和制造设备的参数，再根据给定的参数信息生成支撑结构的设计区域；步骤三：设定产品和基板的材料参数，对基板、模型和设计区域进行网格划分，将设计区域内各网格的材料填充率作为拓扑优化的设计变量，根据增材制造的需求，设置拓扑优化的目标函数及约束条件；步骤四：利用拓扑优化方法对支撑结构的设计区域进行优化，去掉支撑效率低以及不利于增材制造的材料，最终保留下来的材料就是优化得到的支撑结构方案。
首先，读取产品的原始模型数据。参考图2.a，待加工产品是一个壁厚为L的工字形部件，其尺寸参数均在图2.a中标出，图2.b是加工所使用的基板尺寸图，该基板厚1.5L，宽16L。根据产品的几何构造及摆放信息外加基板的尺寸参数确认产品和基板占用的区域V1(图2.c)。设备的最大加工区域是一个17L×16L的矩形空间(图2.d)，确定摆放位置后(图2.e)，通过实际加工区域V2(点画线包围区域)和基板及工件所占的区域V1，将区域V2减去区域V1便可得到支撑结构的设计区域V3(图2.f)：
V3＝V2-V1
得到支撑结构的设计区域后，确定基板和产品的材料参数。加工中基板和产品的材料均为钛材，具体牌号为TiAl6V4，它的弹性模量E＝1.14×105MPa，泊松比μ＝0.33，导热系数λ＝6.70W/(m·K)，热胀系数α＝7.6×10-6/K。在本实施方案中，使用有限元方法进行建模，对基板、产品和设计区域进行单元划分，划分后的模型如图3所示。将设计区域中各单元的材料填充率作为拓扑优化的设计变量，填充率的数值在[0，1]之间变化，为了使拓扑优化后的结果便于观察，在这里规定根据拓扑优化的结果，单元的相对密度在[0.8，1]之间的填充实体材料，密度小于0.8的单元则不填充材料。
参考图4，在一般支撑方案下，该产品通过增材制造后会发生较明显的变形，超出了最大容许限度，这主要与产品在成型过程中的骤冷骤热而导致的热梯度数值过大有关。为改善这一问题，本实施方案将产品产生的最大变形以及其自身的最大热梯度必须小于容许限度作为拓扑优化的约束条件。考虑到支撑结构太多会影响产品的表面质量，且会提高去除支撑结构带来的工作量和复杂度，因此将最小化支撑所占的体积作为优化目标。除此之外，需注意支撑的生成过程也必须遵循增材制造的特性。该问题可以描述为：
Find：ai(i＝1，2，......，n)
Minimize：
Subjectto：|dispj|≤disptol(j＝1，2，......，m)
0＜amin≤ai≤1
其中ai表示各单元内的材料填充率，其数值在[0，1]之间变化，n表示设计区域内划分的单元总个数。V表示整个设计区域内材料的总体积，vi为各单元的单元网格体积，ai×vi表示各单元的材料体积。dispj表示第j个节点的总位移大小，m表示节点的总个数，disptol表示产品变形的最大容许限度。为材料填充率大于0.8的单元的热梯度，为热梯度的最大容许限度。为了确保数值不发生奇异，因此规定各单元的材料填充率不得小于amin。在本实施方式的模型中，单元总个数n＝1088，L为2mm，disptol为0.1mm，amin＝0.001。
根据定义的设计变量、目标函数和约束条件，采用SIMP插值模型结合数学规划法对该问题进行拓扑优化分析。在使用SIMP插值模型时，单元的材料填充率与该单元的材料属性相关联，单元的热传导系数和弹性模量会随着材料填充率发生改变。在本实施方案中，各单元的导热系数λi和弹性模量Ei与材料填充率之间的对应关系为：
λi＝(λmax-λmin)×(ai)p+λmin
Ei＝(Emax-Emin)×(ai)q+Emin
式中，λmax的数值同制造时使用的钛材的导热系数λ相同，λmin取空气的导热系数0.0024W/(m·K)；Emax与钛材的弹性模量E相同，Emin等于amin·E；p和q分别为导热系数和弹性模量的惩罚系数，在这里两者的值都取3。针对该模型进行拓扑优化计算，在迭代400步后，得到的支撑结构如图5所示。最后得到该产品的最大位移为0.0997mm，生成的支撑体积只占设计区域的8％。该支撑结构的生成遵循了增材制造的特性，并且在满足了给定约束条件的前提下，使得支撑所占用的空间最小，达到了减小产品变形，提高制造的成功率的效果。

Claims (5)

1.一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法，其包括以下步骤：
(1).步骤一：读取产品的三维模型，得到其几何构造等信息；
(2).步骤二：设定增材制造时的产品摆放、基板和制造设备的参数，再根据给定的参数信息生成支撑结构的设计区域；
(3).步骤三：设定产品和基板的材料参数，对基板、模型和设计区域进行网格划分，将设计区域内各网格的材料填充率作为拓扑优化的设计变量，根据增材制造的需求，设置拓扑优化的目标函数及约束条件；
(4).步骤四：利用拓扑优化方法对支撑结构的设计区域进行优化，去掉支撑效率低以及不利于增材制造的材料，最终保留下来的材料就是优化得到的支撑结构方案。
2.如权利要求1所描述的一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤一的产品模型，模型需包含完整的产品几何构造信息。
3.如权利要求1所描述的一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤二中设计区域的生成需考虑产品的几何构造、基板的尺寸以及设备支持的最大加工尺寸。
4.如权利要求1所描述的一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤三将模型、基板和设计区域离散化为网格，且设计区域的材料在各网格的填充率在[0，1]之间变化，填充率为0表示无材料，1表示实心材料；填充率在0至1之间可以根据填充率生成对应等效刚度和密度的填充结构，或者设定一个阈值，低于此阈值的按0处理，高于此阈值的当做1处理。
5.如权利要求1所描述的一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤四通过拓扑优化方法，在遵循增材制造特性的前提下对支撑结构的设计区域进行材料分布的优化，生成有效的支撑结构。
CN201711125636.9A 2017-11-15 2017-11-15 一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法 Pending CN107729693A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711125636.9A CN107729693A (zh) 2017-11-15 2017-11-15 一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711125636.9A CN107729693A (zh) 2017-11-15 2017-11-15 一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107729693A true CN107729693A (zh) 2018-02-23

Family

ID=61215961

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711125636.9A Pending CN107729693A (zh) 2017-11-15 2017-11-15 一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107729693A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112068443A (zh) * 2020-09-21 2020-12-11 珠海格力智能装备有限公司 机器人关节组件优化方法、装置、机器人和存储介质
CN112214917A (zh) * 2020-10-13 2021-01-12 武汉大学 一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板
CN112313588A (zh) * 2018-08-24 2021-02-02 宝马股份公司 用于增材制造多个机动车部件的方法
CN112765865A (zh) * 2021-02-04 2021-05-07 上海交通大学 一种控制金属粉床增材制造热变形的支撑结构设计方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104959598A (zh) * 2015-06-08 2015-10-07 中国人民解放军国防科学技术大学 一种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法
TW201617943A (zh) * 2014-11-14 2016-05-16 財團法人工業技術研究院 結構拓樸最佳化設計方法
CN106649976A (zh) * 2016-11-04 2017-05-10 南方科技大学 基于球单元的隔热散热设计方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201617943A (zh) * 2014-11-14 2016-05-16 財團法人工業技術研究院 結構拓樸最佳化設計方法
CN104959598A (zh) * 2015-06-08 2015-10-07 中国人民解放军国防科学技术大学 一种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法
CN106649976A (zh) * 2016-11-04 2017-05-10 南方科技大学 基于球单元的隔热散热设计方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
方子帆等: "支撑结构多目标拓扑优化设计研究", 《中国机械工程》 *
赵康: "基于Level Set方法的结构优化技术", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112313588A (zh) * 2018-08-24 2021-02-02 宝马股份公司 用于增材制造多个机动车部件的方法
CN112068443A (zh) * 2020-09-21 2020-12-11 珠海格力智能装备有限公司 机器人关节组件优化方法、装置、机器人和存储介质
CN112214917A (zh) * 2020-10-13 2021-01-12 武汉大学 一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板
CN112214917B (zh) * 2020-10-13 2022-07-15 武汉大学 一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板
CN112765865A (zh) * 2021-02-04 2021-05-07 上海交通大学 一种控制金属粉床增材制造热变形的支撑结构设计方法
CN112765865B (zh) * 2021-02-04 2022-05-20 上海交通大学 一种控制金属粉床增材制造热变形的支撑结构设计方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107729693A (zh) 一种用于增材制造中支撑结构生成的拓扑优化设计方法
CN101767185B (zh) 一种基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法
CN106623933A (zh) 选区激光熔化金属增材制造用的随形支撑模型的制作方法
CN104156546B (zh) 基于t样条的汽车覆盖件模具的形面再设计方法
CN105718690A (zh) 基于时间和空间主动跟踪的激光3d打印熔池凝固行为数值模拟方法
JPWO2019049981A1 (ja) 積層造形物の解析方法及び積層造形物の解析装置、並びに積層造形物の製造方法及び積層造形物の製造装置
CN102682171A (zh) 一种对高精度复合材料天线反射体单元模具热变形进行补偿的方法
He et al. Iso-parametric CNC tool path optimization based on adaptive grid generation
CN104698969A (zh) 一种基于拟合法的回弹补偿方法
CN110560691B (zh) 一种粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法
CN112464533B (zh) 基于预制坯和锻造全过程数值仿真的涡轮盘渐变组织调控方法
US20230339186A1 (en) Slicer systems for generating a molecular dynamic graded lattice structure and their application to additive manufacturing
CN108772562A (zh) 基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法
CN104999083B (zh) 一种异形水路的斜顶制备方法及斜顶
CN112728297B (zh) 一种基于増材制造提高隔热效果的装置
CN105956326B (zh) 基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法
CN114818437A (zh) 钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法
CN108932367B (zh) 一种用于多物理场耦合计算的网格映射与数据传递方法
CN109676001A (zh) 一种成形制备铝合金构件产品的方法
CN113111549B (zh) 高炉炉缸浇注修复后的侵蚀模型建模方法及建模系统
CN102033980B (zh) 一种钛网颅骨修复体数字化制备方法
CN109783950A (zh) 增材制造中连通结构的拓扑优化设计方法
CN110489912B (zh) 一种太阳能跨季节土壤蓄热分层切片数值模拟的方法
CN110245410B (zh) 基于多参数化变量的多相材料热弹性结构拓扑优化设计方法
CN109732815B (zh) 一种成形制备纤维树脂复合材料构件产品的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180223