CN112182806B - 一种力流引导的介观结构设计方法 - Google Patents

一种力流引导的介观结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种力流引导的介观结构设计方法,包括以下步骤:1)根据零件实际工况下的载荷和边界条件建立有限元分析模型,并获取有限元应力分析结果;2)根据有限元应力分析结果获得力流可视化所需的应力信息;3)根据应力信息和插值点数量N生成力流线;4)以力流线为引导生成介观结构。与现有技术相比,本发明考虑了零件实际工况下的力流信息,可以根据不同的力流定义生成不同的力流线,进而生成不同排列方式的介观结构,实现了零件相同几何下的不同的内部介观结构设计,提高了零件结构的比强度和比刚度。

Description

一种力流引导的介观结构设计方法
技术领域
本发明涉及介观结构设计领域,尤其是涉及一种力流引导的介观结构设计方法。
背景技术
介观结构是指由特征尺寸在0.1-10mm之间的单元胞按特定方式排列组成的结构,不仅具有高的强度质量比或刚度质量比,同时还具有能量吸收、散热、隔音等性能,以介观结构替代实体结构是实现零件轻量化设计的一种新途径,介观结构的特性取决于结构中单元胞的拓扑、几何、方位、尺寸等设计变量,通过控制这些变量使得单元胞结构在空间满足零件局部或整体的刚度或强度等性能要求。
然而在现有技术中,介观结构单元胞的设计呈均匀和周期性排列,而零件实际载荷工况下的应力分布是非均匀的,因此均匀周期的介观结构单元胞与应力分布不匹配。因此,零件的介观结构应该基于实际工况下的应力分布信息进行设计,设计出来的介观结构最大程度与应力信息匹配,力流是一种应力信息的宏观表示形式,由应力信息计算生成,不同的应力信息可以计算生成不同的力流可视化形式,也具有不同的特征。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种力流引导的介观结构设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种力流引导的介观结构设计方法,包括以下步骤:
1)根据零件实际工况下的载荷和边界条件建立有限元分析模型,并获取有限元应力分析结果;
2)根据有限元应力分析结果提取力流可视化所需的应力信息;
3)根据应力信息和插值点数量N生成力流线;
4)以力流线为引导生成介观结构。
所述的步骤2)中,根据零件的不同应用工况,其介观结构设计依据不同的力流可视化形式,不同的力流可视化形式所需要的应力信息也不相同,应力信息在有限元分析结果中进行提取,介观结构设计具体包括:
基于主应力轨迹线的介观结构设计:主应力轨迹线计算所需的应力信息为节点的主应力方向,最终设计的零件内部的介观结构类似桁架结构,结构杆截面微单元只存在轴向力,不存在剪力,能够提高零件结构的比强度;
基于恒定载荷传递路径的介观结构设计,恒定载荷传递路径计算所需的应力信息为节点的应力张量,恒定载荷传递路径能够完整的描述从约束点到载荷点的连续路径上传递着大小相等的力,依据连续路径设计的介观结构能够提高零件结构的比强度;
基于应变能衰减路径的介观结构设计,应变能衰减路径计算所需的信息为基于节点的位移向量计算的刚度衰减向量,最终设计的零件内部的介观结构能够提高零件结构的比刚度。
基于主应力轨迹线和应变能衰减路径叠加的介观结构设计,或基于恒定载荷传递路径和应变能衰减路径叠加的介观结构设计,能够同时提高零件结构的比强度和比刚度。
所述的步骤3)中,通过设置插值点的数量N调节力流线的疏密,通过力流线的疏密调节介观结构目标体积分数。
所述的步骤4)具体为:
以生成的力流线为引导,通过将设定的扫掠轮廓形状沿着所生成的力流线路径进行扫掠形成实体,最终形成介观结构,所述的扫掠轮廓形状包括圆形、方形和三角形。
当力流可视化形式为主应力轨迹线时,则以生成的主应力轨迹线为引导形成介观结构;
当力流可视化形式为恒定载荷传递路径时,则以生成的恒定载荷传递路径为引导形成介观结构;
当力流可视化形式为应变能衰减路径时,则以生成的应变能衰减路径为引导形成介观结构;
当力流可视化形式为以上三种形式的叠加时,则以叠加的路径为引导形成介观结构。
当力流可视化形式为主应力轨迹线时,根据有限元应力分析结果,获取零件模型所有节点的主应力方向,平面应力状态下每个节点分别有一对正交的最大主应力方向和最小主应力方向,通过插值法生成多对正交主应力轨迹线。
当力流可视化形式为恒定载荷传递路径时,根据有限元应力分析结果,获取零件模型每个节点的坐标以及对应的正应力和切应力,分别计算得到X方向和Y方向的载荷路径节点方向,并根据获取的恒定载荷传递路径节点方向和插值点数量生成恒定载荷传递路径。
该方法还包括以下步骤:
5)计算介观结构的体积分数,并根据设定的目标值调节插值点的数量N,通过迭代计算直至达到设定的目标值后生成最终的介观结构。
所述的步骤5)中,体积分数Vf计算式为:
Vf=Vs/V=A∑Li/V
其中,Vs为介观结构的体积,V为零件模型的总体积,A为扫掠轮廓形状的面积,Li为第i条力流线,∑Li表示力流线总长度。
所述的步骤5)中,若计算得到的体积分数小于目标值,则增大插值点数量N,若体积分数大于目标值,则减小插值点数量N,迭代计算体积分数,直至达到设定的目标值后生成最终的介观结构。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
一、本发明提出的介观结构设计方法考虑了零件实际工况下的力流信息,相比与现有周期性排列的介观结构,基于力流引导的介观结构设计呈现非周期性,结构分布更符合应力特征,提高了零件的比强度和比刚度。
二、本发明提出的介观结构设计方法可以根据不同的零件需求,选择生成不同的力流线,进而生成不同的介观结构,即使相同的几何模型,其内部介观结构也不同,宏观上表现的机械性能也不同。
三、本发明提出的介观结构设计方法相比现有设计方法,充分考虑了增材制造的工艺特性,挤出式增材制造可以根据力流轨迹生成打印路径后即形成了介观结构,使得设计与制造一体化,材料和结构同时生成,极大地发挥了增材制造的优势。
四、本发明提出的介观结构设计方法也可以拓展到其他物理场的应用中去,如基于温度场的散热器介观结构设计可以提高散热效率,基于声场的介观结构设计可以提高吸声性能等。
附图说明
图1为本发明的总体技术流程图。
图2为方形圆孔板的受力情况。
图3为平面应力状态下的节点主应力方向。
图4为插值法生成主应力轨迹线。
图5为主应力轨迹线。
图6为基于主应力轨迹线的介观结构设计。
图7为恒定载荷传递路径节点方向,其中,图(7a)为X方向,图(7b)为Y方向。
图8为恒定载荷传递路径。
图9为基于恒定载荷传递路径的介观结构设计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
力流可以用来描述和分析结构中应力场的分布特征,就像可以用磁场线来描述磁场的分布特征一样,力流帮助设计者了解结构中的荷载是如何传递的,并进一步为结构设计提供重要的依据,力流计算方法的不同,导致可视化形式的不同,从而产生不同的力流特性和应用结果,根据不同的计算方法,力流的可视化形式主要有由主应力方向导出的主应力轨迹线,由应力张量或应变能导出的载荷路径等形式等。
本发明通过应力信息计算生成力流的可视化形式,进而对零件介观结构进行设计,与零件实际工况载荷能够最大程度上匹配,以提升零件的结构效能,如图1所示,本发明技术方案的具体步骤如下:
(1)根据零件实际工况下的载荷和边界条件建立有限元分析模型,获取有限元应力分析结果;
(2)由于力流存在不同的可视化形式,不同的力流可视化形式有着不同的计算方法以及应用特征。力流常见的可视化形式有主应力轨迹线(基于主应力方向计算,形成的介观结构内部微单元只承受轴向力不受剪力,能够提高结构的比强度),恒定载荷的传递路径(基于应力张量计算,从约束点到载荷点的连续路径上传递相同大小的载荷,形成的介观结构能够提高结构的比强度),以及基于应变能计算的载荷传递路径(基于刚度衰减向量计算,能够提高结构比刚度)等,因此,设计者可以根据零件实际应用工况,选择力流可视化形式。此外,介观结构的体积分数影响零件的整体重量和吸能性能,因此设计者可以根据设计要求,设定介观结构的目标体积分数;
(3)根据已选择的力流线可视化形式,在有限元结果中导出对应的应力信息,如选择力流的可视化形式为主应力轨迹线时,需要导出节点的主应力方向;当选择载荷路径时,需要导出应力张量。此外,介观结构目标体积分数可以通过力流线的疏密进行调节,而力流线的疏密可以通过设置插值点的数量N来调节;
(4)根据导出的应力信息和设置的插值点数量N,利用插值法基于Grasshopper平台编程,计算生成力流线;
(5)以生成的力流线为引导,通过将一定的轮廓形状(如圆形、方形、三角形等)沿着所生成的力流线路径进行扫掠形成实体,最终形成介观结构;
(6)计算介观结构的体积分数,本例中的轮廓形状以圆形为例,体积分数Vf计算公式为:
Vf=Vs/V=πr2∑Li/V
其中Vs表示介观结构的体积,V表示零件模型的总体积,r表示基于力流线生成的介观结构的圆截面半径,∑Li表示力流线总长度。
如果体积分数小于目标值则需要增大插值点数量N,如果体积分数大于目标值则需要减小插值点数量N,如此迭代计算,直至达到设定的目标值后生成最终的介观结构。
实施例
以一个平面方形圆孔板的介观结构设计为例,如图2所示,板的载荷情况为:左边固定约束,右下角受到-45°方向的集中力载荷,对该板进行内部介观结构设计以提高其结构强度,以下实例分别选择基于主应力轨迹线和恒定载荷传递路径进行介观结构设计。
1)基于主应力轨迹线的介观结构设计
(a)根据方形圆孔板的载荷和边界条件建立有限元分析模型,获取有限元应力分析结果;
(b)基于有限元分析结果提取所有节点的三个主应力方向的X,Y,Z分量,基于Grasshopper平台编程绘制所有节点的主应力方向,其中,平面应力状态下,有一个主应力为零,方向垂直于XY平面,方形圆孔板的两个不为零的主应力方向的X,Y分量,所有节点主应力方向绘制结果如图3所示,平面应力状态下每个节点分别有一对正交的最大主应力方向和最小主应力方向;
(c)根据所有节点的主应力方向,可以利用插值法可以生成主应力轨迹线,图4为节点主应力方向插值法形成的一对正交主应力轨迹线的示意图;
(d)主应力轨迹线的疏密与插值点的数量有关,插值点数量越多,主应力轨迹线越密,因此,可以通过调控插值点的数量来调节主应力轨迹线的密度,基于节点的主应力方向,设置初始的插值点数量N,生成的主应力轨迹线如图5所示;
(e)以主应力轨迹线为扫掠路径,以半径为0.2mm的圆为几何轮廓,扫掠形成的非周期性的介观结构如图6所示。
2)基于恒定载荷传递路径的介观结构设计
恒定载荷的传递路径是指在该路径上力的大小是恒定不变的,可以形象的理解为恒定量的水在水管中流动。基于恒定载荷传递路径的零件介观结构设计能够提高零件的结构强度。
(a)根据方形圆孔板的载荷和边界条件建立有限元分析模型,获取有限元应力分析结果;
(b)提取节点的坐标(x,y)以及对应各点的正应力σx,σy切应力τxy;可以分别计算出X方向和Y方向的载荷路径节点方向,计算公式如下所示,基于Grasshopper平台绘制的恒定载荷传递路径节点方向如图7所示;
Figure BDA0002733247600000061
Figure BDA0002733247600000062
(c)基于恒定载荷传递路径在节点的方向,设置初始的插值点数量N,采用插值法生成的载荷路径如图8所示;
(d)以恒定载荷传递路径为扫掠路径,以半径为0.2mm的圆为几何轮廓,扫掠形成的非周期性的介观结构如图9所示;
3)以上仅以二维平面应力状态下的主应力轨迹线和恒定载荷传递路径为例进行了介观结构设计,该方法也可以应用于三维的介观结构设计中。此外,通过刚度衰减向量还可以计算出应变能的衰减路径,通过该路径设计的介观结构可以提高结构的刚度。

Claims (9)

1.一种力流引导的介观结构设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)根据零件实际工况下的载荷和边界条件建立有限元分析模型,并获取有限元应力分析结果;
2)根据有限元应力分析结果提取力流可视化所需的应力信息,根据零件的不同应用工况,其介观结构设计依据不同的力流可视化形式,不同的力流可视化形式所需要的应力信息也不相同,应力信息在有限元分析结果中进行提取,介观结构设计具体包括:
基于主应力轨迹线的介观结构设计:主应力轨迹线计算所需的应力信息为节点的主应力方向,最终设计的零件内部的介观结构包括桁架结构,其结构杆截面微单元只存在轴向力,不存在剪力,用以提高最终设计的零件结构的比强度;
基于恒定载荷传递路径的介观结构设计:恒定载荷传递路径计算所需的应力信息为节点的应力张量,用以提高最终设计的零件结构的比强度;
基于应变能衰减路径的介观结构设计,应变能衰减路径计算所需的信息为基于节点的位移向量计算的刚度衰减向量,用以提高最终设计的零件结构的比刚度;
基于主应力轨迹线和应变能衰减路径叠加的介观结构设计,或基于恒定载荷传递路径和应变能衰减路径叠加的介观结构设计:用以同时提高零件结构的比强度和比刚度;
3)根据应力信息和插值点数量N生成力流线;
4)以力流线为引导生成介观结构。
2.根据权利要求1所述的一种力流引导的介观结构设计方法,其特征在于,所述的步骤3)中,通过设置插值点的数量N调节力流线的疏密,通过力流线的疏密调节介观结构目标体积分数。
3.根据权利要求1所述的一种力流引导的介观结构设计方法,其特征在于,所述的步骤4)具体为:
以生成的力流线为引导,通过将设定的扫掠轮廓形状沿着所生成的力流线路径进行扫掠形成实体,最终形成介观结构,所述的扫掠轮廓形状包括圆形、方形和三角形。
4.根据权利要求3所述的一种力流引导的介观结构设计方法,其特征在于,
当力流可视化形式为主应力轨迹线时,则以生成的主应力轨迹线为引导形成介观结构;
当力流可视化形式为恒定载荷传递路径时,则以生成的恒定载荷传递路径为引导形成介观结构;
当力流可视化形式为应变能衰减路径时,则以生成的应变能衰减路径为引导形成介观结构;
当力流可视化形式为以上三种形式的叠加时,则以叠加的路径为引导形成介观结构。
5.根据权利要求4所述的一种力流引导的介观结构设计方法,其特征在于,当力流可视化形式为主应力轨迹线时,根据有限元应力分析结果,获取零件模型所有节点的主应力方向,平面应力状态下每个节点分别有一对正交的最大主应力方向和最小主应力方向,通过插值法生成多对正交主应力轨迹线。
6.根据权利要求4所述的一种力流引导的介观结构设计方法,其特征在于,当力流可视化形式为恒定载荷传递路径时,根据有限元应力分析结果,获取零件模型每个节点的坐标以及对应的正应力和切应力,分别计算得到X方向和Y方向的载荷路径节点方向,并根据获取的恒定载荷传递路径节点方向和插值点数量生成恒定载荷传递路径。
7.根据权利要求1所述的一种力流引导的介观结构设计方法,其特征在于,该方法还包括以下步骤:
5)计算介观结构的体积分数,并根据设定的目标值调节插值点的数量N,通过迭代计算直至达到设定的目标值后生成最终的介观结构。
8.根据权利要求7所述的一种力流引导的介观结构设计方法,其特征在于,所述的步骤5)中,体积分数Vf计算式为:
Vf=Vs/V=A∑Li/V
其中,Vs为介观结构的体积,V为零件模型的总体积,A为扫掠轮廓形状的面积,Li为第i条力流线,∑Li表示力流线总长度。
9.根据权利要求8所述的一种力流引导的介观结构设计方法,其特征在于,所述的步骤5)中,若计算得到的体积分数小于目标值,则增大插值点数量N,若体积分数大于目标值,则减小插值点数量N,迭代计算体积分数,直至达到设定的目标值后生成最终的介观结构。
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