CN112800655B - 基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法 - Google Patents

基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，包括步骤：建立原始模型，选择制造材料，对原始模型进行应力及变形分析并判断材料选择是否适合，对原始模型进行创成式拓扑优化，根据评价模型筛选创成式优化设计方案；以传统加工工艺为导向，对创成式优选方案模型逆向重构并再次进行应力、变形分析，校核强度及刚度；对不满足设计要求的重构模型进行二次或多次重构，直至获得满足设计要求的结果。本发明突破了拓扑优化结构成型依赖于增材制造的限制，解决了增材制造技术成型尺寸有限，加工失败风险大，制造成本高昂等局限性的影响下，拓扑优化技术难以得到广泛应用的难题，并且有效降低大中型件的重量、加工难度及制造成本。

Description

基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法
技术领域
本发明属于模型设计、金属加工制造技术领域，尤其涉及一种基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法。
背景技术
在工程应用中，结构轻量化设计意味着更少的材料成本和更低的能源消耗，在航空航天、汽车制造等诸多领域具有广泛的应用。
创成式拓扑优化设计是一种集创成式设计与拓扑优化设计于一体的结构轻量化设计方式。所谓创成式设计，即可以根据设计者意图而探索所有可能的解决方案组合，从而快速生成备选方案的一种设计方式。拓扑优化技术以材料分布为优化对象，可以在指定的设计空间中找到满足设计目标的最佳的材料分布方案，从而实现目标结构的轻量化设计。创成式拓扑优化技术可以根据设计者提供的设计目标(如目标应力、目标刚度)和约束参数(如材料属性、工况条件、非设计空间)，调整材料在设计空间上的最佳分配关系，优化受力分布，经过多次迭代计算，最大程度上实现目标结构的轻量化设计的同时，提供多种满足设计目标的备选方案供设计者参考优选。
拓扑优化结构往往极具复杂性，当前最主要采用的制造方式是增材制造(3D打印)和铸造。增材制造(3D打印)虽然可以实现复杂结构的高精度成形，但目前国内市场上主流的金属增材制造设备成型尺寸较小，约在250×250～400×400(单位：mm)之间，适合小尺寸零件、小批量生产。若采用大型增材制造设备(较为罕见的成型尺寸600×600～800×800，单位mm)来成型大中型尺寸件，一旦在逐层堆积成型过程中某层出现问题，极易造成后续部分的质量不合格或成型失败，以致整个打印件的报废，加工风险较大。对于采用贵重金属材料(如钛合金)成型的产品而言试错成本较高；对于采用廉价材料(如碳素结构钢)成型的产品而言，不仅增材制造的材料制备、工艺成本高昂，而且加工周期较长，不宜大批量生产。即便采用铸造成型技术，也易因拓扑优化结构壁厚不均匀，出现金属液在型腔中流动困难，铸件孔洞、缩松缺陷较多、机械性能较差等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明通过构建目标应力值计算模型及最优设计方案评价模型，采用创成式拓扑优化技术，最大程度上实现目标结构的轻量化设计、获得传力性能最佳的优化模型的同时，以传统的成型加工工艺为导向，对优选方案结果模型逆向重构，并对重构后的模型再次进行应力、变形分析，校核强度及刚度；依据校核结果反馈的信息，对不满足设计要求的重构模型进行二次或多次重构，直至获得满足设计要求的结果，突破了现有技术下成型复杂的拓扑优化结构依赖于增材制造的限制，解决了在增材制造技术成型尺寸有限，难以成型大中型尺寸件，且堆积成型过程中加工失败的风险大，制造成本高昂等局限性的影响下，拓扑优化技术难以得到广泛应用的难题，对于大中型尺寸件，可有效降低产品重量、加工难度、制造成本和运输成本。
本发明的一种基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，包括以下步骤：
S1、对结构件进行原始模型设计；
S2、为原始模型选择制造材料；
S3、对所述原始模型定义材料属性、载荷及边界约束条件,进行应力、变形分析，记录峰值应力σmax；校核选择的材料是否满足设计要求，满足则执行步骤S4,否则返回执行步骤S2；
S4、对原始模型进行创成式拓扑优化设计，具体步骤包括：
S41、将原始模型作为优化对象导入创成式拓扑优化设计系统，输入与步骤S3中相同的材料属性、载荷及边界约束条件；根据工况条件，将优化对象划分出非设计空间及设计空间，对设计空间进行形状、尺寸调整，释放结构优化空间；
所述非设计空间为优化对象在结构优化过程中形状、尺寸需要保持原始设计形态的区域，所述设计空间为优化对象非设计空间以外的区域；
S42、构建目标应力值计算模型，计算目标应力值σt：
Figure GDA0003415945090000031
其中，σt为目标应力值，σmax为峰值应力，n为安全系数值；
S43、输入目标应力值σt，选择优化过程中形成的支柱密度，分别运行迭代计算，得到不同支柱密度下的创成式拓扑优化结果及其质量qto、峰值应力Smax及最大变形量Umax；
S44、构建创成式拓扑优化设计方案评价模型：
P＝αQ+βS+μU
Q＝qo/qto
S＝σt/Smax
U＝Uo/Umax
其中，P为评估创成式拓扑优化设计最优方案的评估值，Q为轻量化水平参数、S为应力水平参数、U为变形程度参数，qo为原始设计模型的质量，qto为创成式拓扑优化结果的质量，σt为目标应力值，Smax为创成式拓扑优化结果的峰值应力，Uo为设计要求的最大变形量，Umax为创成式拓扑优化结果的最大变形量，α、β、μ分别为评估轻量化水平参数Q、应力水平参数S、变形程度参数U的影响因子；
S45、根据对轻量化水平、应力水平及变形程度权重要求的不同，为评价模型设置满足要求的影响因子α、β、μ，确定适用的评价模型；
S46、利用适用的评价模型及步骤S43得到的参数值，对不同支柱密度下的创成式拓扑优化结果进行评价，选择评估值最高的创成式拓扑优化结果作为创成式优化模型；
S5、对创成式优化模型进行导向式模型重构，具体步骤如下：
S51、根据设计需要对创成式优化模型进行细微调整；
S52、基于微调后的模型结构、形状及尺寸，采用逆向建模技术、以传统成型加工工艺为导向，进行三维逆向重构，得到轻量化程度较高的重构模型；
S53、对重构模型进行轻量化效果评估，满足轻量化目标要求则执行步骤S6，否则返回执行步骤S5；
S6、对满足轻量化目标要求的重构模型的强度、刚度进行校核和修正，直至获得满足设计要求的轻量化模型，具体步骤如下：
S61、对重构模型执行步骤S3，进行应力、变形分析，校核重构模型的强度及刚度，如满足强度、刚度要求则执行步骤S63，否则执行步骤S62；
S62、返回执行步骤S5重新进行模型重构后，再进行重构模型的校核和修正；
S63、校核和修正结束，获得满足设计要求的轻量化模型。
进一步地，步骤S1采用CAD软件进行原始模型设计。
进一步地，步骤S2中材料的选择依据设计要求、载荷的大小和性质、结构件的工作环境和复杂程度、材料的加工性能和经济性因素。
进一步地，步骤S3的具体步骤包括：
S31、将所述原始模型导入力学仿真系统；
S32、输入所述材料的属性，定义载荷及边界约束条件；
S33、为原始模型划分体网格，在易发生应力集中的截面突变区域，采用高阶单元，加大网格密度，提高计算精度；
S34、采用有限元法对所述原始模型进行力学仿真，分析原始模型在相应工况条件下的应力分布及变形数据，得到峰值应力及最大变形量；
S35、根据所述峰值应力及最大变形量，校核选用的材料是否满足设计要求，满足则执行步骤S4,否则返回执行步骤S2。
进一步地，步骤S32中材料属性包括但不限于材料的密度、弹性模量及泊松比。
进一步地，步骤S4中支柱密度包括稀疏、中等和密集。
进一步地，步骤S51中所述细微调整包括合并刚度不足的细小丝状支柱结构。
进一步地，步骤S52中的传统成型加工工艺包括但不限于铸造、锻造、焊接、车削、铣削、刨削、磨削、钻削及镗削加工工艺。
进一步地，步骤S53中的评估标准为重构模型的质量是否满足质量设计要求。
本发明的有益效果如下：
1、本发明构建了目标应力值计算模型和创成式拓扑优化设计方案评价模型，使目标应力值的计算和创成式拓扑优化设计方案的评价有据可依；
2、本发明采用创成式拓扑优化技术，根据设计者提供的设计目标(如目标应力、目标刚度)和约束参数(如材料属性、工况条件、非设计空间)，调整材料在设计空间上的最佳分配关系，优化受力分布，经过多次迭代计算，最大程度上实现目标结构的轻量化设计的同时，提供多种满足设计目标要求的备选方案供设计者参考优选；
3、本发明基于优选后的创成式拓扑优化结果，分析模型形状尺寸和传力结构，以传统的成型加工工艺为导向，运用逆向建模技术，构建加工难度低、轻量化程度高、力学性能好的模型，从而规避了增材制造(3D打印)工艺，解决了在增材制造技术成型尺寸有限，难以成型大中型尺寸件，且堆积成型过程中加工失败的风险大，制造成本高昂等局限性的影响下，拓扑优化技术难以得到广泛应用的难题。
4、本发明通过导向式重构后的模型壁厚均匀，可采用铸造等低成本的传统制造工艺进行成型加工，解决了采用铸造技术成型壁厚不均的拓扑优化结构时易出现孔洞、缩松等缺陷的问题；
5、本发明为工程应用中需要进行轻量化改进的零部件提供了设计思路，对于重量、尺寸均较大的静态支撑件效果尤为显著，可为相关的行业领域带来可观的经济效益。
附图说明
图1为本发明基于创成式拓扑优化及导向式模型重构的结构轻量化设计方法的技术方案流程图；
图2为本发明实施例原始吊柱模型及工况条件图；
图3为本发明实施例原始吊柱模型的应力分布图；
图4为本发明实施例原始吊柱模型的Y向变形图；
图5为本发明实施例原始吊柱模型创成式拓扑优化结果-稀疏支柱密度图；
图6为本发明实施例原始吊柱模型创成式拓扑优化结果-中等支柱密度图；
图7为本发明实施例原始吊柱模型创成式拓扑优化结果-密集支柱密度图；
图8为本发明实施例改进吊柱模型-长方体设计空间图；
图9为本发明实施例改进吊柱模型创成式拓扑优化结果-稀疏支柱密度图；
图10为本发明实施例改进吊柱模型创成式拓扑优化结果-中等支柱密度图；
图11为本发明实施例改进吊柱模型创成式拓扑优化结果-密集支柱密度图；
图12a为本发明实施例截取优选模型局部轮廓信息图；
图12b为本发明实施例优选模型的局部轮廓信息草图；
图12c为本发明实施例导向式重构的局部轮廓信息草图；
图13为本发明实施例导向式重构的吊柱模型图；
图14为本发明实施例导向式重构吊柱模型的应力分布图；
图15为本发明实施例导向式重构吊柱模型的Y向变形图。
图中：
1-装配区；2-连接区；3-加载区；4-非设计空间；5-设计空间。
具体实施方式
以下，参照附图1-12对本发明的实施方式进行说明。
为最大程度实现原始模型的轻量化设计，获得传力性能最佳的优化结果模型，并规避增材制造(3D打印)工艺成型尺寸有限，难以成型大中型尺寸件，且堆积成型过程中加工失败的风险大，制造成本高昂等难题，以及采用铸造工艺成型拓扑优化结构时易出现孔洞、缩松等缺陷的问题，本发明提出了一种基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法。基于优选方案结果模型的形状和尺寸，以传统的成型加工工艺为导向，运用逆向建模技术构建轻量化程度高、力学性能好的模型用于生产应用，在满足设计要求的前提下，既实现了原始模型较高程度上的轻量化设计，又控制了制造成本，降低了加工难度。通过数据分析和仿真模拟计算，本发明实施例中重构后的模型与原始设计模型相比，重量下降了73.7％，强度提高了12％。
本发明的技术方案为一种基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，基于创成式拓扑优化的、以传统的成型加工工艺为导向的模型重构法，采用以下步骤：
S1、对结构件进行原始模型设计；
根据给定的工况条件及装配尺寸空间，采用UG或SolidWorks等CAD三维建模软件初步构建满足使用功能的原始设计模型，并以IGES等CAD软件通用格式保存；
S2、为原始设计模型初步选择制造材料；
根据设计要求，综合考虑载荷的大小和性质、零件的工作环境、零件结构的复杂程度及材料的加工性能、材料的经济性等因素，由设计者从工程材料库中为原始设计模型初步选择用于加工制造的金属材料；
S3、对原始设计模型进行应力、变形分析，校核选择的材料是否满足要求；
将步骤S1以IGES格式保存的原始设计模型导入力学仿真系统，采用有限元法进行力学分析。输入步骤S2选用的金属材料的密度、弹性模量、泊松比等材料属性，定义载荷及边界约束以模拟实际工况条件。为原始设计模型划分体网格，在截面突变等易发生应力集中、出现峰值应力的区域，采用高阶单元，加大网格密度，以提高计算精度。提交作业运行力学仿真，分析原始设计模型在相应工况条件下的应力分布及变形数据，记录峰值应力及最大变形量，校核选用的金属材料是否满足强度、刚度要求，满足则执行步骤S4,不满足则执行步骤S2。
S4、根据力学分析结果对原始设计模型进行创成式拓扑优化设计；
S41、将步骤S1保存的原始设计模型作为优化对象，导入创成式拓扑优化设计系统，并为其赋予与步骤S3相同的材料属性、载荷及边界约束条件；
S42、根据工况条件，将优化对象划分出非设计空间4及设计空间5：非设计空间4为优化对象在结构优化过程中形状、尺寸需要保持原始设计形态的区域，设计空间4为优化对象非设计空间以外区域。值得一提的是，为减少人为设计因素对结构优化带来的限制及影响，在不影响零部件使用功能、不改变非设计空间4的前提下，需要对优化对象的设计空间5进行一定的形状、尺寸调整，释放出更大的结构优化空间，充分发挥创成式拓扑优化技术的结构优化能力。拓展设计区域并不意味着可以无限大，而是由设计产品的装配位置及运动关系共同决定的。一方面设计区域不能侵入非设计空间，另一方面设计区域不能在装配后或工作中侵入与该优化对象相连接的其他部件所在区域。
S43、构建目标应力值计算模型，计算目标应力值σ：
Figure GDA0003415945090000081
其中，σt为目标应力值，σmax为峰值应力，n为安全系数值；
S44、输入目标应力值，选择优化过程中形成的支柱密度，分别进行迭代计算，得到不同支柱密度下的创成式拓扑优化结果及其质量qto、峰值应力Smax及最大变形量Umax；
基于S3中力学分析的峰值应力σmax和实际工作要求的安全系数值n，计算用于创成式拓扑优化设计的目标应力
Figure GDA0003415945090000082
并选择优化过程中形成的支柱密度，即稀疏、中等或密集。运行迭代计算，得到不同支柱密度下的创成式拓扑优化结果及对应的质量qto、峰值应力Smax及最大变形量Umax；
S45、构建创成式拓扑优化设计方案优选的评价模型：
P＝αQ+βS+μU
Q＝qo/qto
S＝σt/Smax
U＝Uo/Umax
其中，P为评估创成式拓扑优化设计最优方案的评估值，Q为轻量化水平参数、S为应力水平参数、U为变形程度参数，qo为原始设计模型的质量，qto为创成式拓扑优化结果的质量，σt为目标应力值，Smax为创成式拓扑优化结果的峰值应力，Uo为设计要求的最大变形量，Umax为创成式拓扑优化结果的最大变形量，α、β、μ分别为评估轻量化水平参数Q、应力水平参数S、变形程度参数U的影响因子；
S46、综合评估优化结果的轻量化水平、应力水平及变形程度，筛选出满足设计要求的轻量化设计优化模型，得到最佳的创成式拓扑优化设计方案；
设计者在评估优化方案时，根据对轻量化水平、应力水平及变形程度几个层面关注度的不同，为相应的评估参数设置不同的影响因子。通过计算，选择P值最大的创成式拓扑优化方案作为最终的优选方案。
S5、对优选的创成式拓扑优化设计方案模型进行导向式模型重构，具体步骤如下：
S51、根据设计需要对优选方案的结果模型进行细微调整；
根据设计需要，对优选方案的结果模型进行细微调整，如合并刚度不足的细小丝状支柱结构，为模型重构做必要准备。
S52、基于微调后的模型结构、形状及尺寸，采用逆向建模技术截取模型轮廓，获得轮廓信息草图，以传统的成型加工工艺，即铸造、锻造、焊接、车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削等为导向，拟合所截取的轮廓信息草图，并进行三维逆向重构，初步得到轻量化程度较高的重构模型。
S53、对重构模型进行轻量化效果评估，即重构模型的质量是否满足质量设计要求，满足轻量化目标要求则执行步骤S6，不满足则执行步骤S5。
S6、对重构模型的强度、刚度进行校核和修正，直至获得满足设计要求的模型结果：
重构模型的强度、刚度校核：对重构模型执行步骤S3中的操作过程，进行力学有限元仿真，分析应力分布及变形数据，校核重构模型的强度及刚度。若满足设计要求则用于加工生产。否则，依据校核结果反馈的信息，由设计者调整模型的形状尺寸重新进行逆向建模，直到获得满足设计要求的结果。
实施例有助于本领域技术人员理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，在不脱离附图1所示的思路范围及相关技术要求的前提下，各种替换、变化都是可能的，都属于本发明的保护范围。
本实施例中的研究对象吊柱模型是一种连接结构件。
工况条件：吊柱左端通过八个螺栓与被连接设备进行装配，右端与一竖直滑槽(未在附图中体现)进行工装，右端受9000N的Y向拉伸力，从而实现设备在竖直方向上的起重升降；强度要求：吊柱在工作状态下不得发生破坏失效，设计安全系数n＝2；刚度要求：在工作状态下吊柱的Y向变形量尽可能小，最大不超过0.1mm，以保持设备起重过程中和悬吊状态下姿态的稳定性。质量要求：吊柱总质量不得大于60kg。尺寸要求：螺栓孔直径φ10(单位mm),孔间距由设备预留装配孔的孔间距为准，竖直滑槽水平截面尺寸120×70(单位mm)，设备与滑槽间距630(单位mm)。
基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，包括以下步骤：
(1)原始吊柱模型设计：根据工况条件及装配尺寸，采用SolidWorks三维建模软件初步构建满足使用功能的原始吊柱模型，如附图2所示。模型左段为装配区1，可通过八颗M14螺栓与设备装配在一起。模型右段为加载区3，工装于一竖直滑槽，并设计一φ20(单位mm)的通孔，以施加竖直方向的牵引拉力。模型中间段为连接区2，根据装配区1与加载区3的尺寸，将连接区2设计为棱柱体。模型整体尺寸为630×390×350(单位mm)。将设计好的原始吊柱模型以IGES格式保存；
(2)材料选择：根据工况条件，所选金属材料需要具有良好的塑性及韧性，以免在工作过程中发生脆性断裂，造成设备损坏。根据原始吊柱模型的结构尺寸，所选金属材料需要具有良好的延展性及焊接性能，以通过铸造、锻造工艺制作毛坯，并采用焊接工艺焊接成型。同时，该模型整体尺寸较大，材料需求量大，需要考虑材料的经济性。综合以上特征，选取延展性较好、塑性、韧性及焊接性能优良、成本低廉的碳素结构钢Q235作为原始吊柱模型的成型材料。
(3)原始吊柱模型应力分布、变形数据分析：将以IGES格式保存的原始吊柱模型导入ABAQUS有限元模拟仿真软件，赋予模型Q235材料密度7.85×10-6kg/mm3、弹性模量206Gpa、泊松比0.25等材料属性，根据工况条件来定义载荷及边界约束条件，加载区3通孔处施加竖直向上的集中力9000N，装配区1螺栓孔及左端面添加固定约束。分析步场输出勾选应力及位移选项，以输出应力场及变形数据。为原始吊柱模型划分体网格单元，该工况条件下模型的变形形式为弯曲变形，因此网格单元类型选择六面体二次减缩积分，并在边界布种时加大加载区3和连接区2交界线附近的种子密度，以生成更为密集的六面体网格，提高应力计算精度。提交作业运行力学仿真，分析原始吊柱模型在相应工况条件下的应力分布(附图3)及变形数据(附图4)。仿真结果显示，在该工况条件下吊柱模型的峰值应力发生于加载区3和连接区2交界处，大小为9.889MPa，且应力分布不均匀，由峰值应力点向两端呈梯度式递减；吊柱沿着载荷方向发生弯曲，右端变形最为严重，变形量为0.032mm。
(4)原始吊柱模型创成式拓扑优化设计：以几何导入方式将IGES格式保存的原始吊柱模型导入到创成式拓扑优化设计软件MSC Apex Generative Design中(ApexGenerative Design，是一款面向增材制造开发的结构轻量化设计软件。本发明针对无法采用增材制造成型的大中型尺寸件，以创成式拓扑优化结果作为导向式模型重构的依据)；
为原始吊柱模型赋予与步骤3相同的材料属性、载荷及边界约束条件；
为原始吊柱模型划分非设计空间4及设计空间5：该模型的装配区1需要通过螺栓与设备进行紧固装配，螺栓孔的尺寸直径以及相对位置关系必须与设备预留装配孔保持高度一致，而加载区3不仅需要与一竖直滑槽(未在图中体现)进行工装，而且通孔处需施加竖直方向载荷，也有严格的形状尺寸要求。因此将这两个区域划分为非设计空间4，而中间的连接区2起连接、承重作用，可进行结构优化，因此将连接区2划分为设计空间5；
根据步骤3中模拟的峰值应力σmax＝9.889MPa，以及强度要求的安全系数n＝2，计算目标应力值
Figure GDA0003415945090000111
对目标应力σt取整为5MPa；选择优化过程中形成的支柱密度，即稀疏、中等或密集；输入计算所得的目标应力5MPa，分别运行仿真分析，经过64次优化迭代计算后，所得结果如附图5～附图7所示，分别是支柱密度为稀疏、中等、密集选项下原始吊柱模型的创成式拓扑优化结果。稀疏支柱密度方案的结果模型质量40.19kg，峰值应力8.1MPa,Y向最大变形量0.063mm；中等支柱密度的拓扑优化结构质量41.30kg，峰值应力7.86MPa，Y向最大变形量0.061mm；密集支柱密度的创成式拓扑优化结构质量59.13kg,峰值应力6.03MPa，Y向最大变形量0.047mm。以上所述的创成式拓扑优化结果数据显示，稀疏支柱密度和中等支柱密度的方案结果模型与原始吊柱模型相比在Y向的最大变形量偏大。而密集支柱密度的方案结果模型的质量较大，接近设计要求60kg，优化效果并不理想。
(5)设计空间5拓展：为进一步减小人为设计因素对结构优化带来的限制和影响，在不改变非设计空间4的前提下，对原始吊柱模型进行改进，适当调整设计空间5的形状，拓展设计空间5的尺寸，以释放出更大的结构优化空间。本实施例为保持装配区1及加载区3的形状尺寸不变，故将原始吊柱模型连接区2的棱柱体拓展为长方体。仍选取装配区1和加载区3为原始吊柱模型的非设计空间4，长方体连接区2域为设计空间5，在附图8中以虚线进行区分；
(6)对改进的吊柱模型进行创成式拓扑优化设计：用SolidWorks三维建模软件将原始吊柱模型连接区2的棱柱体调整为长方体，以IGES格式保存并导入MSC ApexGenerative Design中，赋予其与原始吊柱模型相同的材料属性及工况条件，按照步骤5划分非设计空间4与设计空间5；选择优化过程中形成的支柱密度，即稀疏、中等或密集；输入计算所得的目标应力5MPa，分别运行仿真分析，经过64次优化迭代计算后，所得结果如附图9～附图11所示，分别是支柱密度为稀疏、中等、密集选项下的创成式拓扑优化结果。稀疏支柱密度方案的结果模型质量43.12kg，峰值应力11.40MPa,Y向最大变形量0.056mm；中等支柱密度方案的结果模型质量43.39kg，峰值应力8.14MPa，Y向最大变形量0.048mm；密集支柱密度方案的结果模型质量61.02kg,峰值应力5.51MPa，Y向最大变形量0.033mm。以上三种方案的优化结果，除密集支柱密度方案的结果模型质量超过了设计要求之外，稀疏支柱密度和中等支柱密度的方案结果模型质量、强度、刚度均较好地满足了设计要求。
(7)优选最佳的创成式拓扑优化设计方案：
构建创成式拓扑优化设计方案优选的评价模型
P＝αQ+βS+μU
Q＝qo/qto
S＝σt/Smax
U＝Uo/Umax
其中，qo为原始设计模型的质量，qto为创成式拓扑优化结果模型的质量，σt为目标应力值，Smax为创成式拓扑优化结果的峰值应力，Uo为设计要求的最大变形量，Umax为创成式拓扑优化结果的最大变形量，α、β、μ分别为、应力水平评估参数S、变形程度评估参数U的影响因子，P为评价创成式拓扑优化设计最优方案的评估值。
{α，β，μ}∈[0，1]，α，β，μ取值由设计者在评价创成式拓扑优化最优方案的过程中，根据轻量化水平、应力水平及变形程度的权重进行设定。原始吊柱模型和改进吊柱模型的创成式拓扑优化结果数据显示，六种方案的峰值应力均远小于碳素结构钢Q235的屈服极限，吊柱在实际工作中不会发生破坏失效，因此在创成式拓扑优化设计方案优选的评价模型中，应力水平评估参数S的权重需要尽可能小，取影响因子β＝0.1。然而每种方案优化模型的质量却较为接近设计质量的最高要求，且改进吊柱模型密集支柱密度的优化方案，其结果模型的质量还超过了质量设计要求的最大值，再考虑到后续重构模型可能会引起模型体积变大、质量增加，甚至会超出质量设计要求，因此需要高度权衡几种方案的轻量化水平，在创成式拓扑优化设计方案优选的评价模型中，轻量化水平评估参数Q的权重需要尽可能大，取影响因子α＝1。此外，模型的加载区3对变形量也有严格的要求，微小的变形都可能造成设备姿态的不稳定，影响数据测量的准确性，加以六种优化结果的Y向最大变形量差值较大，因此需要高度权衡几种方案吊柱模型的变形程度，在创成式拓扑优化设计方案优选的评价模型中，变形程度评估参数U的权重需要尽可能大，取影响因子μ＝1。
将所有方案的有关参数代入创成式拓扑优化设计方案优选的评价模型公式，计算评价创成式拓扑优化设计最优方案的评估值P：
原始吊柱模型优化方案：P1稀疏＝6.720，P1中等＝6.638，P1密集＝5.657；
改进吊柱模型优化方案：P2稀疏＝6.556，P2中等＝6.842，P2密集＝6.461；
P2中等＞P1稀疏＞P1中等＞P2稀疏＞P2密集＞P1密集，因此选择改进吊柱模型中等支柱密度的创成式拓扑优化设计方案作为最终优选方案。该方案的优化模型与原始吊柱模型相比，重量下降了78.7％。
(8)导向式模型重构：将中等支柱密度的创成式拓扑优化模型以st1格式保存，导入到Geomagic Wrap软件做简单光顺化处理，合并刚度不足的细小丝状支柱结构，以便在接下来的逆向建模过程中获取高质量的轮廓草图。将Geomagic Wrap处理后的模型导入到逆向建模软件Geomagic Design X中，基于所选优化模型的形状结构，截取模型轮廓(附图12a)，获得其轮廓信息草图(附图12b)，以传统的成型加工工艺为导向，绘制平面草图(附图12c)，进行拉伸、切除、放样等相关三维特征操作，实现导向式模型重构。本实施例中的吊柱优化模型以数控切割、铣削、焊接、钻削工艺为导向进行逆向建模，分析其结构特征，近似拟合为变截面H型钢(附图13)，尺寸数据以截取的轮廓信息为依据。经计算，导向式重构后的吊柱模型重53.6kg，与原始吊柱模型相比，重量下降了73.7％。
(9)重构模型应力分布、变形数据分析：将导向式重构后的吊柱模型导入ABAQUS，重复步骤3中的操作，分析应力分布(附图14)及变形情况(附图15)。结果显示，与原始吊柱模型相比，重构后的吊柱模型Y向变形量虽然略有增大，由0.032mm增加到0.046mm,但仍远小于设计限制的最大变形量0.1mm，而且导向式重构的吊柱模型应力分布更为均匀，峰值应力也由原来的9.889MPa减小到8.714MPa。通过数据分析和仿真模拟计算，本发明实施例中重构后的模型与原始设计模型相比，重量下降了73.7％，强度提高了12％。
本实施例为便于有限元仿真分析过程中划分六面体网格，提高模拟计算精度，对重构吊柱模型的截面突变处未设计与优化结果类似的过渡圆角。模拟结果显示，截面突变处出现严重的应力集中现象，峰值应力也产生于此。因此可根据仿真结果反馈的信息，设计合适的过渡圆角来解决此类问题。在实际应用中，设计者可根据工作经验，以创成式拓扑优化结果为设计灵感，以传统的成型加工工艺为导向，设计出不仅满足工作要求，而且轻量化程度高、加工难度低、力学性能好的结构件，这也是本发明的核心精神所在。
本发明运用创成式拓扑优化技术，对优化对象进行轻量化设计，并依据轻量化水平、应力分布及变形数据，筛选出最佳的优化方案。基于最佳优化方案结果，分析模型结构尺寸及传力路径，以传统的成型加工工艺为导向，运用逆向建模技术，构建加工难度低、轻量化程度高的CAD模型。通过模拟仿真技术验证重构模型的机械性能，基于仿真结果反馈的信息对不满足工作要求的模型进行结构尺寸调整，重新校核，形成闭环设计路线，直至重构模型和仿真结果符合要求。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、对结构件进行原始模型设计；
S2、为原始模型选择制造材料；
S3、对所述原始模型定义材料属性、载荷及边界约束条件，进行应力、变形分析，记录原始模型的峰值应力σmax；校核选择的材料是否满足设计要求，满足则执行步骤S4，否则返回执行步骤S2；
S4、对原始模型进行创成式拓扑优化设计，具体步骤包括：
S41、将原始模型作为优化对象导入创成式拓扑优化设计系统，输入与步骤S3中相同的材料属性、载荷及边界约束条件；根据工况条件，将优化对象划分出非设计空间及设计空间，并对设计空间进行形状、尺寸调整，释放结构优化空间；
所述非设计空间为优化对象在结构优化过程中形状、尺寸需要保持原始设计形态的区域，所述设计空间为优化对象非设计空间以外的区域；
S42、构建目标应力值计算模型，计算目标应力值σt：
Figure FDA0003415945080000011
其中，σt为目标应力值，σmax为原始模型的峰值应力，n为安全系数值；
S43、输入目标应力值σt，选择优化过程中形成的支柱密度，分别运行迭代计算，得到不同支柱密度下的创成式拓扑优化结果及其质量qto、创成式拓扑优化结果的峰值应力Smax及最大变形量Umax；
S44、构建创成式拓扑优化设计方案评价模型：
P＝αQ+βS+μU
Q＝qo/qto
S＝σt/Smax
U＝Uo/Umax
其中，P为评估创成式拓扑优化设计最优方案的评估值，Q为轻量化水平参数、S为应力水平参数、U为变形程度参数，qo为原始设计模型的质量，qto为创成式拓扑优化结果的质量，σt为目标应力值，Smax为创成式拓扑优化结果的峰值应力，Uo为设计要求的最大变形量，Umax为创成式拓扑优化结果的最大变形量，α、β、μ分别为评估轻量化水平参数Q、应力水平参数S、变形程度参数U的影响因子；
S45、根据对轻量化水平、应力水平及变形程度权重要求的不同，为评价模型设置满足要求的影响因子α、β、μ，确定适用的评价模型；
S46、利用适用的评价模型及步骤S43得到的参数值，对不同支柱密度下的创成式拓扑优化结果进行评价，选择评估值最高的创成式拓扑优化结果作为创成式优化模型；
S5、对创成式优化模型进行导向式模型重构，具体步骤如下：
S51、根据设计需要对创成式优化模型进行细微调整；
S52、基于微调后的模型结构、形状及尺寸，采用逆向建模技术，以传统成型加工工艺为导向，进行三维逆向重构，得到轻量化程度较高的重构模型；
S53、对重构模型进行轻量化效果评估，满足轻量化目标要求则执行步骤S6，否则返回执行步骤S5；
S6、对满足轻量化目标要求的重构模型的强度、刚度进行校核和修正，直至获得满足设计要求的轻量化模型，具体步骤如下：
S61、对重构模型执行步骤S3，进行应力、变形分析，校核重构模型的强度及刚度，如满足强度、刚度要求则执行步骤S63，否则执行步骤S62；
S62、返回执行步骤S5重新进行模型重构后，再进行重构模型的校核和修正；
S63、校核和修正结束，获得满足设计要求的轻量化模型。
2.根据权利要求1所述的基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，其特征在于，步骤S1采用CAD软件进行原始模型设计。
3.根据权利要求1所述的基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，其特征在于，步骤S2中材料的选择依据设计要求、载荷的大小和性质、结构件的工作环境和复杂程度、材料的加工性能和经济性因素。
4.根据权利要求1所述的基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，其特征在于，步骤S3的具体步骤包括：
S31、将所述原始模型导入力学仿真系统；
S32、输入所述材料的属性，定义载荷及边界约束条件；
S33、为原始模型划分体网格，在易发生应力集中的截面突变区域，采用高阶单元，加大网格密度，提高计算精度；
S34、采用有限元法对所述原始模型进行力学仿真，分析原始模型在相应工况条件下的应力分布及变形数据，得到峰值应力及最大变形量；
S35、根据所述峰值应力及最大变形量，校核选用的材料是否满足设计要求，满足则执行步骤S4，否则返回执行步骤S2。
5.根据权利要求4所述的基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，其特征在于，步骤S32中材料属性包括但不限于材料的密度、弹性模量及泊松比。
6.根据权利要求1所述的基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，其特征在于，步骤S4中支柱密度包括稀疏、中等和密集。
7.根据权利要求1所述的基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，其特征在于，步骤S51中所述细微调整包括合并刚度不足的细小丝状支柱结构。
8.根据权利要求1所述的基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，其特征在于，步骤S52中的传统成型加工工艺包括但不限于铸造、锻造、焊接、车削、铣削、刨削、磨削、钻削及镗削加工工艺。
9.根据权利要求1所述的基于创成式优化及导向式重构的大中型件轻量化设计方法，其特征在于，步骤S53中的评估标准为重构模型的质量是否满足质量设计要求。
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