CN110378054A - 一种基于传力路径分析的3d打印内部支撑结构设计方法 - Google Patents

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吴凤和
裴国斌
庄集超
张伟
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Abstract

本发明公开了一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法，属于增材制造结构优化领域。本发明包括步骤：建立承载结构的有限元模型，施加边界条件并求解，从有限元分析结果中提取各节点应力分量值，通过插值得到各单元质心处的应力分量值，代入公式计算得出各单元的内力传递矢量，即传力方向；提取结构的传力路径，分析理想传力路径特点，然后根据传力路径特征评价结构的传力性能，确定评价系数；最后基于SLM工艺，应用评价系数指导各单元密度分布，实现支撑结构的布局优化。

Description

一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法
技术领域
本发明属于增材制造结构优化领域，涉及一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法。
背景技术
随着选择性激光熔化(SLM)技术等金属增材制造技术的出现，基于内部支撑结构(以下简称支撑结构)填充的轻量化金属零部件逐渐成为设备轻量化设计的研究热点。目前，支撑结构设计大多依靠3D打印软件中的商业打印机包，例如Shapeways，该方法通过简单地挖空一个物体，并用预定义的网格填充其内部以增强强度。由于网格的大小和密度以及皮肤表面的厚度是由用户进行启发式选择的，设计效果远非最佳；针对基于选择性激光熔化(SLM)工艺的内部支撑结构，传统的支撑结构也常存在拓扑结构不合理、结构冗余、成型效率低等问题。
发明内容
本发明提供了一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法，旨在将传力路径引入到支撑结构的优化设计中，弥补传统的支撑结构存在的拓扑结构不合理、存在结构冗余、成型效率低等问题。
为了解决上述存在的问题实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法，其特征在于：该方法内容包括如下步骤：
(1)利用有限元仿真模型建立承载结构的有限元仿真模型，利用软件施加边界条件并求解静力分析结果；
(2)从有限元分析结果中提取各节点应力分量值，通过插值得到各单元质心处的应力分量值，代入传力路径方向公式进行计算，得出各单元的内力传递矢量，作为传力方向，分为X方向、Y方向和Z方向；
(3)将步骤(2)中的各单元内力传递矢量值通过曲线拟合功能，形成传力路径曲线；
(4)分析理想传力路径的特点，根据路径疏密度确定评价指标的具体表达式；建立评价系数；
(5)设定一种密度可变的胞元结构并将胞元的密度的密度作为设计变量，预先设定密度的变化范围；
(6)在步骤(5)确定的变化范围内，通过步骤(4)中计算得出的评价系数惩罚各单元的密度值，从而控制支撑结构模型的密度，建立密度可变的支撑结构模型。
进一步的技术方案在于，步骤(6)的步骤包括：
将DMAX作为各胞元结构的密度初始值，通过步骤(4)中计算得出的评价系数代入式(1)，惩罚各单元的密度值，从而控制支撑结构模型的密度，建立密度可变的支撑结构模型；
DI＝DMAX*SI/SN (1)
其中，DI表示第I个单元的密度值；SI表示第I个单元的评价系数；DMAX*N％记为SN，N用于控制全局密度。
进一步的技术方案在于，在步骤(2)中，所述传力路径计算公式为基于力平衡原理推导出的传力方向计算公式：
其中，Vx、Vy、Vz分别表示X、Y、Z方向传力路径的矢量方向；σ表示正应力；τ表示切应力。
进一步的技术方案在于，在步骤(4)中，所述路径疏密度，由传力路径力流束上单位通流截面面积分布的内力表示，以X方向传力路径为例，通过任意两通流截面的内力可表示为
其中，A1、A2分别表示通流截面面积，分别表示单位通流截面面积为A1、A2时的平均内力。即平均内力数值越大，所对应的通流截面面积越小，路径越密；反之，路径越疏。
进一步的技术方案在于，所述步骤(4)的具体步骤为：
根据传力路径曲线具有的内力连续性质，推导出表示路径疏密度的具体表达式，并依据此表达式计算出各个单元所对应路径的疏密度，作为指导各单元密度分布的评价系数。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法与现有技术相比具有这样的有益效果：
(1)弥补传统的支撑结构存在的拓扑结构不合理、存在结构冗余、成型效率低等问题，进一步提升机械零部件比强度、比刚度；
(2)将传力路径理论引入到SLM工艺内部支撑结构的优化设计中，提高SLM工艺成型效率，加快金属增材制造技术的发展；
(3)采用基于传力路径分析的优化设计方法，为增材制造支撑结构优化提供新思路。同时，搭建传力路径计算平台，提高计算效率，促进传力路径分析在结构优化设计领域的应用。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为承载结构边界条件示意图；
图3为承载结构各单元内力传递矢量图；
图4为承载结构传力路径曲线图；
图5为等密度结构示意图；
图6为变密度结构示意图
图7为静力学仿真对比结果。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明：
一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法，其流程图如图1所示。首先提取结构的传力路径，然后根据传力路径特征评价结构的传力性能，确定评价系数；最后基于SLM工艺，应用评价系数实现支撑结构的布局优化。
该方法内容包括如下步骤：
(1)利用有限元仿真模型建立承载结构的有限元仿真模型，利用软件施加边界条件并求解静力分析结果；
(2)从有限元分析结果中提取各节点应力分量值，通过插值得到各单元质心处的应力分量值，代入传力路径方向公式进行计算，得出各单元的内力传递矢量，作为传力方向，分为X方向、Y方向和Z方向；
(3)将步骤(2)中的各单元内力传递矢量值通过曲线拟合功能，形成传力路径曲线；
(4)分析理想传力路径的特点，根据路径疏密度确定评价指标的具体表达式；建立评价系数；
(5)设定一种密度可变的胞元结构并将胞元的密度的密度作为设计变量，预先设定密度的变化范围；
(6)在步骤(5)确定的变化范围内，通过步骤(4)中计算得出的评价系数惩罚各单元的密度值，从而控制支撑结构模型的密度，建立密度可变的支撑结构模型。
本实施例中，步骤(6)的步骤包括：
将DMAX作为各胞元结构的密度初始值，通过步骤(4)中计算得出的评价系数代入式(1)，惩罚各单元的密度值，从而控制支撑结构模型的密度，建立密度可变的支撑结构模型；
DI＝DMAX*SI/SN (1)
其中，DI表示第I个单元的密度值；SI表示第I个单元的评价系数；DMAX*N％记为SN，N用于控制全局密度。
本实施例中，在步骤(2)中，所述传力路径计算公式为基于力平衡原理推导出的传力方向计算公式：
其中，Vx、Vy、Vz分别表示X、Y、Z方向传力路径的矢量方向；σ表示正应力；τ表示切应力。
本实施例中，在步骤(4)中，所述路径疏密度，由传力路径力流束上单位通流截面面积分布的内力表示，以X方向传力路径为例，通过任意两通流截面的内力可表示为
其中，A1、A2分别表示通流截面面积，分别表示单位通流截面面积为A1、A2时的平均内力。即平均内力数值越大，所对应的通流截面面积越小，路径越密；反之，路径越疏。
本实施例中，所述步骤(4)的具体步骤为：
根据传力路径曲线具有的内力连续性质，推导出表示路径疏密度的具体表达式，并依据此表达式计算出各个单元所对应路径的疏密度，作为指导各单元密度分布的评价系数。
本实施例中，以长为60mm，宽为60mm的长方形薄板为例，介绍本方法的具体实施步骤。
以长为60mm，宽为60mm的长方形薄板为例，介绍本方法的具体实施步骤。
(1)将几何模型导入ANSYS 18.0仿真软件建立承载结构的有限元模型，如图2所示。厚度设置为1mm，应用软件施加边界条件并求解静力分析结果；
(2)从有限元分析结果中应用ANSYS软件二次开发功能提取各节点应力分量值，通过插值得到各单元质心处的应力分量值，代入传力路径方向公式进行计算，得出各单元的内力传递矢量，即传力方向，如图3所示；
(3)将步骤(2)中的各单元内力传递矢量值通过图像后处理软件TECPLOT的曲线拟合功能，形成传力路径曲线，如图4所示；
(4)根据传力路径曲线具有的内力连续性质，推导出表示路径疏密度的具体表达式，并依据此表达式计算出各个单元所对应路径的疏密度，作为指导各单元密度分布的评价系数；
(5)设定一种密度可变的胞元结构并将胞元的密度作为设计变量，预先设定密度的变化范围，上限设置为3mm，下限设置为0.4mm；
(6)将3mm作为各胞元结构的密度初始值，如图5所示。通过步骤(4)中计算得出的评价系数代入式(1)，惩罚各单元的密度值，从而控制支撑结构模型的密度，建立密度可变的支撑结构模型，如图6所示。
DI＝DMAX*SI/SN (1)
其中，DI表示第I个单元的密度值；SI表示第I个单元的评价系数；DMAX*N％记为SN，N用于控制全局密度。
(7)将优化结果与等密度结构作比较，仿真结果如图7所示。可以看出，所提出的方法在体积降低的同时，静力学性能得到明显提升。

Claims (5)

1.一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法，其特征在于：该方法内容包括如下步骤：
(1)利用有限元仿真模型建立承载结构的有限元仿真模型，利用软件施加边界条件并求解静力分析结果；
(2)从有限元分析结果中提取各节点应力分量值，通过插值得到各单元质心处的应力分量值，代入传力路径方向公式进行计算，得出各单元的内力传递矢量，作为传力方向，分为X方向、Y方向和Z方向；
(3)将步骤(2)中的各单元内力传递矢量值通过曲线拟合功能，形成传力路径曲线；
(4)分析理想传力路径的特点，根据路径疏密度确定评价指标的具体表达式；建立评价系数；
(5)设定一种密度可变的胞元结构并将胞元的密度的密度作为设计变量，预先设定密度的变化范围；
(6)在步骤(5)确定的变化范围内，通过步骤(4)中计算得出的评价系数惩罚各单元的密度值，从而控制支撑结构模型的密度，建立密度可变的支撑结构模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法，其特征在于：步骤(6)的步骤包括：
将DMAX作为各胞元结构的密度初始值，通过步骤(4)中计算得出的评价系数代入式(1)，惩罚各单元的密度值，从而控制支撑结构模型的密度，建立密度可变的支撑结构模型；
DI＝DMAX*SI/SN (1)
其中，DI表示第I个单元的密度值；SI表示第I个单元的评价系数；DMAX*N％记为SN，N用于控制全局密度。
3.根据权利要求1所述的一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述传力路径计算公式为基于力平衡原理推导出的传力方向计算公式：
其中，Vx、Vy、Vz分别表示X、Y、Z方向传力路径的矢量方向；σ表示正应力；τ表示切应力。
4.根据权利要求1所述的一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述路径疏密度，由传力路径力流束上单位通流截面面积分布的内力表示，以X方向传力路径为例，通过任意两通流截面的内力可表示为
其中，A1、A2分别表示通流截面面积，分别表示单位通流截面面积为A1、A2时的平均内力，即平均内力数值越大，所对应的通流截面面积越小，路径越密；反之，路径越疏。
5.根据权利要求1所述的一种基于传力路径分析的3D打印内部支撑结构设计方法，其特征在于：所述步骤(4)的具体步骤为：
根据传力路径曲线具有的内力连续性质，推导出表示路径疏密度的具体表达式，并依据此表达式计算出各个单元所对应路径的疏密度，作为指导各单元密度分布的评价系数。
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