CN112926220B - 一种基于模态频率约束的结构件制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模态频率约束的结构件制备方法，属于机械加工技术领域，解决了现有技术同时保证模态频率优化和结构轻量化的问题。该方法包括如下步骤：建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率；对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析，获得优材料分布，建立结构件的轻量化模型；对上述轻量化模型进行模态分析，验证模态频率是否满足初始模态频率限制；如果不满足，对所述轻量化模型进行重构或光顺化，再次验证，直到满足；再次验证模型是否满足预设质量要求；如果不满足，对轻量化模型进行局部点阵填充，再次验证，直到满足预设质量要求，获得设计好的结构件的最终模型；制备结构件。

Description

一种基于模态频率约束的结构件制备方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种基于模态频率约束的结构件制备方法。

背景技术

模态频率表征弹性结构固有的、整体的特性。当弹性结构件的结构、形状和所处的工作条件确定时，其模态频率也唯一确定。一般地，结构件一阶模态频率应尽可能高，以避免在工作过程中发生共振。因此，在航空航天、汽车等领域，常常对结构件一阶模态频率具有设计要求。

与此同时，随着机械设计与制造技术发展，结构件设计对结构轻量化的需求也越来越高，将结构件在满足使用功能的前提下进行轻量化设计，能够有效减小产品的质量，提高产品的使用性能，特别是对于航空航天领域，结构件质量的减小有助于提高飞行器的行程、速度等核心技术指标，具有重要意义。

对于飞行器仪器支架、座椅骨架等结构件，不仅对模态频率有严格的要求，同时又需要尽可能减重以提升飞行器整体性能。现有技术一般是直接按照固有频率要求设计出的结构件，在结构轻量化上仍有很大的空间。目前，缺少一种兼顾模态频率优化和结构轻量化的结构件的制备方法。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于模态频率约束的结构件制备方法，用以解决现有技术无法同时保证模态频率优化和结构轻量化的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于模态频率约束的结构件制备方法，包括如下步骤：

建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率；

对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析，根据拓扑优化分析获得的最优材料分布，建立结构件的轻量化模型；

对上述轻量化模型进行模态分析，验证模态分析得出的模态频率是否满足初始模态频率限制；如果不满足，对所述轻量化模型进行重构或光顺化，再次验证，直到满足初始模态频率限制；

再次验证满足初始模态频率限制后的3D模型是否满足预设质量要求；如果不满足，对轻量化模型进行局部点阵填充，再次验证，直到满足预设质量要求，获得设计好的结构件的最终模型；

根据结构件的最终模型生成机械加工方案，并制备得到结构件。

上述技术方案的有益效果如下：可应用于各种支架类、散热器类等对零件固有频率有一定要求，同时需要尽可能减重的结构件(包括零部件)设计与制造过程。在保证结构件设计功能性和制造可行性的同时，实现了最大限度轻量化。

基于上述方法的进一步改进，所述拓扑优化分析的约束为

式中，X_i表示结构件表面第i点的坐标，X_iL、X_iU分别为该点的下限和上限，x、y、z为该点的3D坐标；W表示结构件的质量，ρ表示结构件密度，K表示结构件的材料刚度，E表示结构件的弹性模量；T表示结构件的模态频率；T_s表示结构件的初始模态频率，σ表示结构件局部应力最大值；σ_s表示结构件允许的最大应力，f₁( )、f₂( )、f₃( )表示不同的函数。

上述进一步改进方案的有益效果是：对拓扑优化分析的约束进行了限定。在拓扑优化分析中加入了模态频率约束(T)、应力约束(σ)、位置约束(X_i)，简洁高效地使得拓扑优化分析获得的结果既在一定工况条件下减重，又不降低模态频率，还符合空间限制。

进一步，所述模态频率为一阶模态频率；

所述建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率的步骤，进一步包括：

根据结构件的零件组成和实际形状，建立初始3D模型；

获取结构件工作时的实际工况条件，确定初始3D模型的约束和相应载荷；

对所述初始3D模型加载上述约束和相应载荷进行模态分析，获得初始3D模型在预设工况条件下的一阶模态频率，作为初始模态频率。

上述进一步改进方案的有益效果是：将模态频率限制为一阶模态频率，即结构件的固有频率。初始模态频率限制对应为，保证轻量化结构(轻量化模型)的固有频率需要大于原始结构(初始3D模型)的固有频率，从而可以提高结构的动态特性。根据实际工况，对所述初始3D模型进行几何边界的约束，并加载外部载荷条件，计算出初始模态频率，通过一次规定和计算，即可作为后续一系列迭代优化中的模态频率的对比标准，提高了计算效率。

进一步，所述对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析的步骤，进一步包括；

识别并去除初始3D模型中不影响结构优化的局部特征，获得简化后模型；

识别所述简化后模型中的可设计区域和非设计区域；可设计区域为可变更结构或材料的区域；非设计区域为装配面有严格形状、精度要求的区域；

对所述去除局部特征后的3D模型加载所述拓扑优化分析的约束、以及与初始3D模型相同的约束和载荷，进行结构拓扑优化，获得可设计区域内各点的模态形状，作为最优材料分布。

上述进一步改进方案的有益效果是：通过划分设计区域与非设计区域，使得在计算时仅对设计区域进行优化，避免对不可改变的非设计区域产生影响，保证设计出的结构件几何形状是满足设计要求，并可用。

进一步，所述不影响结构优化的局部特征包括圆角、倒角、孔；

所述拓扑优化分析的约束还包括：对结构件制造工艺的拔模方向、对称性、周期性进行约束。

上述进一步改进方案的有益效果是：在不影响结构件计算结果的前提下，去除显著增加计算量的微细特征，有利于大大提高计算效率。大量试验显示，去除圆角、倒角、孔是非常必要的，使得计算结果更加准确。同时，还进一步限定了零件的制造工艺要求和结构规律，即对结构件制造工艺的拔模方向、对称性、周期性进行约束，从实际应用角度进一步约束零件几何形状，确保设计出的结构件几何形状符合实际使用需求。

进一步，所述根据拓扑优化分析获得的最优材料分布，建立结构件的轻量化模型的步骤，进一步包括：

根据拓扑优化获得的最优材料分布，直接对可设计区域进行光顺化，或先重新确定结构件可设计区域内的材料及结构，再对可设计区域进行光顺化，建立可设计区域更新后的3D模型。

上述进一步改进方案的有益效果是：通过光顺化方法，能够快速对可设计区域粗糙的几何形状进行平滑化，得到一个美观、光滑的模型，整个过程简洁、高效。

进一步，所述直接对可设计区域进行光顺化，或先重新确定结构件可设计区域内的材料及结构，再对可设计区域进行光顺化的步骤，进一步包括：

确定对结构件的外观要求是否严格；

若对结构件的外观要求严格时，先根据所述最优材料分布为参考重构3D模型的可设计区域，再对可设计区域进行光顺化；

若对结构件的外观要求不严格时，直接对最优材料分布对应的粗糙的可设计区域进行光顺化处理，得到光滑的可设计区域。

上述进一步改进方案的有益效果是：在用户对结构件几何形状要求较高的情况下，仅通过光顺化做出的模型可能不理想，不符合实际使用要求，需要以最优材料分布对应的优化模型为参考，先进行3D模型重构，能够保证优化结果更加准确地符合设计需求。

进一步，该方法还包括如下步骤：

验证满足初始模态频率限制、质量要求的轻量化模型每一关键部位的应力是否满足预设应力限制，如果不满足，对应力薄弱部位进行加固设计，再次验证，直到满足预设应力限制；

将验证后的最终3D模型作为结构件的加工模型。

上述进一步改进方案的有益效果是：通过迭代运算，以模态频率和应力为约束，在最优设计附近逐步逼近质量要求的最优设计结果，能够得到最大限度减重的轻量化设计模型。

进一步，所述点阵填充使用形状、大小相同的梁结构胞元；每一胞元的刚度K_i为

式中，A_i、L_i分别表示胞元内各组成杆的截面积、长度；E_i表示该胞元的弹性模量；

所述梁结构胞元包括金刚石立方形、面心立方形、体心立方形中的至少一种；

所述胞元的分布为阵列式或随机形式；并且，

如果局部点阵填充后的轻量化模型仍不满足预设质量要求，通过提高点阵填充区域面积或减小点阵杆径优化轻量化模型的可设计区域，再次验证，直到满足预设质量要求。

上述进一步改进方案的有益效果是：点阵填充的目的是进一步减重。点阵结构具有良好的比刚度。

进一步，所述根据结构件的最终模型生成机械加工方案的步骤，进一步包括：

对结构件的最终模型进行模型后处理，增加应力分析结果显示的应力集中部位的圆角、倒角；

根据制造工艺要求，对上述处理后的模型设计加工余量，并增加支撑结构，确定加工模型；

根据加工模型选择合适的增材制造工艺，包括选择激光铺粉、电弧增材的步骤工艺，完成加工方案的确定。

上述进一步改进方案的有益效果是：选用增材制造工艺，主要是针对拓扑优化和点阵填充结构复杂、异型的特点，这类结构使用传统减材(切削、切割等)、等材(铸造、焊接等)制造方式，都无法制造出来。使用增材制造技术，可以利用增加材料成形结构件的特点，成形任意复杂结构件，实现拓扑优化形状和点阵填充结构的制造。

另一方面，本发明实施例提供了一种与上述方法对应的基于模态频率约束的结构件制备系统，包括依次连接的：

优化设计模块，用于建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率；对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析，根据拓扑优化分析获得的最优材料分布，建立结构件的轻量化模型；对上述轻量化模型进行模态分析，验证模态分析得出的模态频率是否满足初始模态频率限制；如果不满足，对所述轻量化模型进行重构或光顺化，再次验证，直到满足初始模态频率限制；再次验证满足初始模态频率限制后的3D模型是否满足预设质量要求；如果不满足，对轻量化模型进行局部点阵填充，再次验证，直到满足预设质量要求，获得设计好的结构件的最终模型；

方案生成模块，用于根据结构件的最终模型生成机械加工方案，传输至制备模块；

制备模块，用于根据接收到的机械加工方案制备结构件。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1结构件制备方法步骤示意图；

图2为本发明实施例2结构件制备方法原理示意图；

图3为本发明实施例2金刚石立方形的梁结构胞元；

图4为本发明实施例2体心立方形的梁结构胞元；

图5为本发明实施例2面心立方形的梁结构胞元；

图6为本发明实施例2胞元的分布为阵列式示意图；

图7为本发明实施例2胞元的分布为随机形式示意图；

图8为本发明实施例2零件的结构约束与载荷情况；

图9为本发明实施例2零件的可设计区域与非设计区域划分情况示意图；

图10为本发明实施例2零件的拓扑优化结果示意图；

图11为本发明实施例2零件依据拓扑优化结果几何重构后的结果示意图；

图12为本发明实施例2零件的点阵填充区域的示意图；

图13为本发明实施例2零件的点阵填充设计示意图；

图14为本发明实施例2设计好的零件最终模型的模态分析图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于模态频率约束的结构件制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1.建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率；

S2.对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析，根据拓扑优化分析获得的最优材料分布，建立结构件的轻量化模型；

S3.对上述轻量化模型进行模态分析，验证模态分析得出的模态频率是否满足初始模态频率限制；如果不满足，对所述轻量化模型进行重构或光顺化，再次验证，直到满足初始模态频率限制；

S4.再次验证满足初始模态频率限制后的3D模型是否满足预设质量要求；如果不满足，对轻量化模型进行局部点阵填充，再次验证，直到满足预设质量要求，获得设计好的结构件的最终模型；

S5.根据结构件的最终模型生成机械加工方案，并制备得到结构件。

实施时，首先分析结构件的预设工况条件，得到约束条件与载荷，在此条件下计算初始3D模型的初始模态频率，之后，将初始3D模型进行拓扑优化，依据拓扑优化结果建立轻量化模型，验证获得的轻量化模型是否已满足初始模态频率限制，如果满足进一步验证重量要求，如果不满足重量要求进一步进行点阵填充设计，使设计好的结构件的最终模型达到最优状态。最后，根据优化好的模型生成机械加工方案，并进一步进行后续机械加工和热处理等过程，最终完成轻量化结构件的制造。

与现有技术相比，本实施例提供的方法可应用于各种支架类、散热器类等对零件固有频率有一定要求，同时需要尽可能减重的结构件(包括零部件)设计与制造过程。在保证结构件设计功能性和制造可行性的同时，实现了最大限度轻量化。

实施例2

在实施例1的基础上进行优化，步骤S1进一步细化为：

S11.根据结构件的零件组成和实际形状，建立初始3D模型；

S12.获取结构件工作时的实际工况条件，确定初始3D模型的约束和相应载荷；实际工况条件不一定是一种，在不同的使用环境下可能不同，例如散热板在电机不太热时候可以只开一个风扇，在电机较热时候可以开两个风扇或者多个风扇。

具体地，实际工况条件包括连接关系和承受外力，如图8所示，对应约束和载荷两部分，工况条件可以是多组叠加的，即多组约束与载荷情况的组合叠加。约束是指结构件的几何边界条件，即规定了结构件在某处的几何边界不可变化；载荷是指结构件工作中受到的力、热等外部作用条件，这些条件与结构件的几何形状有关，将会影响到结构件的几何形状变形。

S13.对所述初始3D模型加载上述约束和相应载荷进行模态分析，获得初始3D模型在预设工况条件下的一阶模态频率，作为初始模态频率。一阶模态频率对应结构件原始设计的固有频率。

优选地，步骤S2中的拓扑优化分析的约束包括对结构件制造工艺的拔模方向、对称性、周期性进行约束，以及

式中，X_i表示结构件表面第i点的坐标，X_iL、X_iU分别为该点的下限和上限，x、y、z为该点的3D坐标；下限是指结构件的非设计区域边界表面以及几何约束表面，结构件设计区域材料到此处不可再延伸。上限是指结构件初始状态边界表面以及几何约束表面，结构件设计区域材料到此处不可再增加，几何约束表面受实际工况条件决定。W表示结构件的质量，ρ表示结构件密度，K表示结构件的材料刚度，E表示结构件的弹性模量；T表示结构件的模态频率；T_s表示结构件的初始模态频率，σ表示结构件局部应力最大值；σ_s表示结构件允许的最大应力。f₁( )、f₂( )、f₃( )表示不同的函数，分别为

式中，V_i为X_i对应的单元的体积，A为刚度K对应的主轴方向上的结构件的截面积，L为结构件在主轴方向的长度。

试验结果显示，模态频率与结构件的质量与刚度K的比值呈正相关，因此，对模态频率的约束，本质上是对结构件质量与刚度比值的约束。基于此，只要合理得调控结构件的几何形状，即可在保证模态频率的同时，减小结构件体积，从而减小结构件质量。

具体地，拔模方向约束，是规定结构件验证拔模方向几何形状体积不可增加；对称性约束，是设置结构件以某一平面为基准两侧几何形状对称一致；周期性约束，是结构件上的几何特征以某一轴呈周期性排布。

步骤S2进一步细化为：

S21.识别并去除初始3D模型中不影响结构优化的局部特征，获得简化后模型；所述不影响结构优化的局部特征包括圆角、倒角、孔；例如，可规定，以结构件在x、y、z方向最小的尺寸a计算，直径小于0.03a的圆角、倒角尺寸和孔应该作为不影响结构优化的局部特征去除。

S22.识别所述简化后模型中的可设计区域和非设计区域；可设计区域为可变更结构或材料的区域；非设计区域为不可变更结构或材料的区域，一般是装配面等有严格形状、精度要求的区域，如图9所示。

S23.对所述去除局部特征后的3D模型加载所述拓扑优化分析的约束(拔模方向、对称性、周期性)、以及与初始3D模型相同的约束和载荷，进行结构拓扑优化，获得可设计区域内各点的模态形状，作为最优材料分布。若对优化后的模态频率有进一步的要求，则以优化后的模态频率要求作为约束。例如如果优化后的模态频率相比初始模态频率更大，则需要大于优化后的模态频率。

S24.根据拓扑优化获得的最优材料分布，直接对可设计区域进行光顺化，或先重新确定结构件可设计区域内的材料及结构，再对可设计区域进行光顺化，建立可设计区域更新后的3D模型，如图2所示。

优选地，步骤S24进一步包括：

S241.确定对结构件的外观要求是否严格；这一步需要用户基于结构件的应用需求确定。

S242.对于拓扑优化后的结果，材料分布往往比较粗糙和混乱，不能直接用于加工制造。若对结构件的外观要求严格时，先根据所述最优材料分布为参考重构3D模型的可设计区域，再对可设计区域进行光顺化，得到光滑的可设计区域；具体地，应进行重新建模，得到在拓扑优化出的材料分布基础上的轻量化标准模型，这种方法设计出的轻量化模型外观平面较多，更加标准。

S243.若对结构件的外观要求不严格时，直接对最优材料分布对应的粗糙的可设计区域进行光顺化处理，得到光滑的可设计区域。光顺化处理可以通过现有光顺算法将组成STL文件的点云间距均化分布、并使点云间的连线尽可能沿着切线方向，从而使得外观更加平滑。这种方法设计出的轻量化模型外观曲面较多，形状不规则。

上述光顺化可采用自定义的算法。首先，定义拉普拉斯算子调整网格顶点，顶点趋势指向其邻域重心，即顶点调节向量L(i)为

式中，υ_i表示调节顶点，υ_j表示临近顶点，ω_j表示临近点权重，可取0～1之间，FOV(i)表示顶点i的邻域。

调整后的顶点坐标υ_i′为

υ_i′＝υ_i+λ[L(i)-υ_i] (4)

λ∈(0 1)

式中，λ表示拉普拉斯系数。

通过上面公式将υ_i点调整到更靠近i的范围内υ_i′，使得模型整体几何形状更加平滑。优选地，步骤S3中的所述初始模态频率限制为：模态分析得出的一阶模态频率应大于上述初始模态频率。

优选地，步骤S4中的局部点阵填充仅在可设计区域内进行，验证质量之前，除了结构件工况原有的载荷与约束外，仍需进行模态频率的约束，即所获得的点阵填充设计仍是符合模态频率要求的设计；并且，局部点阵填充使用形状、大小相同的梁结构胞元。每一胞元的刚度K_i通过下面公式确定

式中，A_i、L_i分别表示胞元内各组成杆的截面积、长度；E_i表示该胞元的弹性模量；

与该胞元的类型系数T、截面形状系数a和截面尺寸r有关，T、a和r一般是点阵填充设计时需要进行规定的参数。

可选地，梁结构胞元包括金刚石立方形(图3)、面心立方形(图5)、体心立方形(图4)中的至少一种。胞元的分布可为阵列式(图6)或随机形式(图7)。点阵填充结构具有良好的比刚度，在吸能、隔热、隔震等领域具有广泛的应用前景。通过点阵填充结构的设计，可进一步调节结构件质量与刚度之比，实现模态频率约束下的结构件减重。

梁结构胞元的比刚度可表示为

对于梁结构胞元，等效刚度略低于实体胞元，但是等效密度ρ_i显著低于实体胞元，因此梁结构胞元(点阵胞元)的比刚度高于实体胞元。使用点阵结构填充，能够进一步提高结构件的整体比刚度，依据模态频率公式

即应用点阵结构，能够有效控制结构件质量与刚度比值，实现控制模态频率的效果。

阵列式是指对胞元直接进行空间X/Y/Z方向的阵列排布，如图6所示，随形式是指胞元按照所填充范围内结构的轮廓形状进行排布，如图7所示。

优选地，步骤S4中如果局部点阵填充后的轻量化模型仍不满足预设质量要求，通过提高点阵填充区域面积或减小点阵杆径优化轻量化模型的可设计区域，再次验证，直到满足预设质量要求。在点阵填充计算时除了零件工况原有的载荷与约束外，仍需进行模态频率的约束，即所计算的点阵填充设计仍是符合模态频率要求的设计。

优选地，当通过提高点阵填充区域面积或减小点阵杆径使得结构件质量减小，但同时导致结构件一阶固有频率增加时，则表示结构件模型已减重到最轻状态，此时也完成了点阵填充设计。

结构件模型所能减重到的最轻状态若高于设计要求，则表示设计要求不合理，此时仅通过模型设计无法在保证模态频率不降低条件下减重，需要修改频率要求、结构件材料等条件。

对于拓扑优化后的结果，材料分布往往比较粗糙和混乱，不能直接用于加工制造。当对模型的外观有要求时，可以优化后的模型材料分布为参考进行重构模型。此时应将优化后的模型作为参考模型，通过抄图的方式进行重新建模，得到在拓扑优化出的材料分布基础上的轻量化标准模型，这种方法设计出的轻量化模型外观平面较多，更加标准，但是效率较低。若对模型外观要求不严格，也可直接对拓扑优化的粗糙模型进行光顺化处理。光顺处理直接对拓扑优化后材料分布粗糙的STL文件执行，通过光顺算法将组成STL文件的点云间距均化分布、并使点云间的连线尽可能沿着切线方向，从而使得外观更加平滑。这种方法设计出的轻量化模型外观曲面较多，形状不规则，但是效率较高。

经过拓扑优化和点阵填充的轻量化模型，一般无法通过传统机械加工、铸造等方式进行成型，需要使用增材制造的方法进行制造。

优选地，步骤S5进一步细化为：

S51.对结构件的最终模型进行模型后处理，增加应力分析结果显示的应力集中部位的圆角、倒角；目的是减小应力集中；

S52.根据制造工艺要求，对上述处理后的模型设计加工余量，并增加支撑结构，确定加工模型；

S53.根据加工模型选择合适的增材制造工艺，包括选择激光铺粉、电弧增材的步骤工艺，完成加工方案的确定。

优选地，该方法还包括如下步骤：

S6.验证满足初始模态频率限制、质量要求的轻量化模型每一关键部位的应力是否满足预设应力限制，如果不满足，对应力薄弱部位进行加固设计，再次验证，直到满足预设应力限制；将验证后的最终3D模型作为结构件的加工模型。

具体地，每一关键部位的应力限制，属于设计要求，例如疲劳应力要求。机械零件，如金属轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期机械零件性的变化，在交变力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。对于这类应力薄弱部位，应加厚这部分结构的厚度，或者在结构的连接处增加圆角或倒角。

上述方法原理如图2所示，根据上述方法制备的一个零件如图8～14所示，该零件为某支架零件，零件上装配若干功能性部件，材料为铝合金，原模型重量为815.5g。该零件需要在满足初始模态频率要求的前提下，尽可能减重，以实现整体结构轻量化。

实施时，首先分析结构件原工况条件，得到其约束条件与载荷，在此条件下先计算结构件模型的初始模态频率。之后，将零件模型分为设计与非设计区域，分区后对零件进行拓扑优化，依据拓扑优化结果进行模型重构或光顺化，并验证优化后的模型是否已满足重量要求。若模型不满足重量要求则进一步进行点阵填充设计，使零件模型达到最优状态。最后，将优化好的模型进行增加圆角、支撑等后处理，并依据制造工艺要求设计加工余量和支撑等结构。完成零件模型设计后选用合适的增材制造工艺进行零件成形制造，并进一步进行后续热处理和机械加工等过程，最终完成轻量化零件的制造。

与实施例1的方法相比，本实施例提供的方法在结构件原约束和载荷条件下增加模态频率约束进行轻量化设计，能够同时满足零件的模态频率和质量要求，在一定的模态频率下实现最大限度的减重；使用拓扑优化和点阵填充设计相结合的方式进行轻量化设计，最大限度地在设计上调控零件刚度与质量比例关系，实现最大限度的零件减重；在拓扑优化和点阵填充设计时设定设计区域与非设计区域，仅对设计区域进行结构形状的优化设计，避免非设计区域改动影响零件装配等其他性能。使用增材制造的方式对拓扑优化/点阵填充设计的零件进行成形制造，提升零件成形自由度，能够制造出各类空间不规则结构或点阵结构，最大限度发挥拓扑优化与点阵填充设计的优势，制造出最优的轻量化零件。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率；

对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析，根据拓扑优化分析获得的最优材料分布，建立结构件的轻量化模型；所述拓扑优化分析的约束为

式中，X_i表示结构件表面第i点的坐标，X_iL、X_iU分别为该点的下限和上限，x、y、z为该点的3D坐标；W表示结构件的质量，ρ表示结构件密度，K表示结构件的材料刚度，E表示结构件的弹性模量；T表示结构件的模态频率；T_s表示结构件的初始模态频率，σ表示结构件局部应力最大值；σ_s表示结构件允许的最大应力，f₁( )、f₂( )、f₃( )表示不同的函数；

对上述轻量化模型进行模态分析，验证模态分析得出的模态频率是否满足初始模态频率限制；如果不满足，对所述轻量化模型进行重构或光顺化，再次验证，直到满足初始模态频率限制；

再次验证满足初始模态频率限制后的3D模型是否满足预设质量要求；如果不满足，对轻量化模型进行局部点阵填充，再次验证，直到满足预设质量要求，获得设计好的结构件的最终模型；

根据结构件的最终模型生成机械加工方案，并制备得到结构件。

2.根据权利要求1所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，所述模态频率为一阶模态频率；

所述建立结构件的初始3D模型，获取该模型在预设工况条件下的初始模态频率的步骤，进一步包括：

根据结构件的零件组成和实际形状，建立初始3D模型；

获取结构件工作时的实际工况条件，包括连接关系和承受外力，确定初始3D模型的约束和相应载荷；

对所述初始3D模型加载上述约束和相应载荷进行模态分析，获得初始3D模型在预设工况条件下的一阶模态频率，作为初始模态频率。

3.根据权利要求2所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，所述对所述初始3D模型进行结构简化，对简化后模型进行拓扑优化分析的步骤，进一步包括；

识别并去除初始3D模型中不影响结构优化的局部特征，获得简化后模型；

识别所述简化后模型中的可设计区域和非设计区域；可设计区域为可变更结构或材料的区域；非设计区域为装配面有严格形状、精度要求的区域；

对去除局部特征后的3D模型加载所述拓扑优化分析的约束、以及与初始3D模型相同的约束和载荷，进行结构拓扑优化，获得可设计区域内各点的模态形状，作为最优材料分布。

4.根据权利要求3所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，所述不影响结构优化的局部特征包括圆角、倒角、孔；

所述拓扑优化分析的约束还包括：对结构件制造工艺的拔模方向、对称性、周期性进行约束。

5.根据权利要求4所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，所述根据拓扑优化分析获得的最优材料分布，建立结构件的轻量化模型的步骤，进一步包括：

根据拓扑优化获得的最优材料分布，直接对可设计区域进行光顺化，或先重新确定结构件可设计区域内的材料及结构，再对可设计区域进行光顺化，建立可设计区域更新后的3D模型。

6.根据权利要求5所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，所述直接对可设计区域进行光顺化，或先重新确定结构件可设计区域内的材料及结构，再对可设计区域进行光顺化的步骤，进一步包括：

确定对结构件的外观要求是否严格；

若对结构件的外观要求严格时，先根据所述最优材料分布为参考重构3D模型的可设计区域，再对可设计区域进行光顺化；

若对结构件的外观要求不严格时，直接对最优材料分布对应的粗糙的可设计区域进行光顺化处理，得到光滑的可设计区域。

7.根据权利要求1、3-6之一所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

验证满足初始模态频率限制、质量要求的轻量化模型每一关键部位的应力是否满足预设应力限制，如果不满足，对应力薄弱部位进行加固设计，再次验证，直到满足预设应力限制；

将验证后的最终3D模型作为结构件的加工模型。

8.根据权利要求7所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，所述点阵填充使用形状、大小相同的梁结构胞元；每一胞元的刚度K_i为

式中，A_i、L_i分别表示胞元内各组成杆的截面积、长度；E_i表示该胞元的弹性模量；

所述梁结构胞元包括金刚石立方形、面心立方形、体心立方形中的至少一种；

所述胞元的分布为阵列式或随机形式；并且，

如果局部点阵填充后的轻量化模型仍不满足预设质量要求，通过提高点阵填充区域面积或减小点阵杆径优化轻量化模型的可设计区域，再次验证，直到满足预设质量要求。

9.根据权利要求8所述的基于模态频率约束的结构件制备方法，其特征在于，所述根据结构件的最终模型生成机械加工方案的步骤，进一步包括：

对结构件的最终模型进行模型后处理，增加应力分析结果显示的应力集中部位的圆角、倒角；

根据制造工艺要求，对上述处理后的模型设计加工余量，并增加支撑结构，确定加工模型；

根据加工模型选择合适的增材制造工艺，包括选择激光铺粉、电弧增材的步骤工艺，完成加工方案的确定。

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