CN113297671B - 一种仿生轻质微结构舵翼的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生轻质微结构舵翼的制作方法，包括如下步骤：(1)根据原始舵翼模型工作载荷选取微结构设计区域；(2)按照所设定的微结构单元尺寸，对设计区域进行共形体素划分；(3)根据仿生微结构单元的拓扑连接关系，将微结构填充进体素网格中，构建骨架线模型；(4)根据骨架线以及杆径信息构建距离场函数，构建等值面，生成三角网格模型；(5)将微结构的网格模型与原始舵翼模型进行布尔和运算，完成边界处的连接。本发明的方法不仅保证优化后的零件性能和重量可控，而且计算速度快；微结构与零件的连接可靠，应用范围广。

Description

一种仿生轻质微结构舵翼的制作方法

技术领域

本发明涉及舵翼的制作方法，尤其涉及一种仿生轻质微结构舵翼的制作方法。

背景技术

舵翼结构是航空航天飞行器中的主要承力部件之一，其的轻量化设计对于提升飞行性能具有重要的意义。

舵翼零件的结构分为外部蒙皮以及内部骨架两部分，但由于舵翼外形几何尺寸固定，因此优化区域局限于内部骨架部分，目前常用的方法有两种：

1)一种方法是基于拓扑优化理论，对原始舵翼零件施加工作载荷与约束条件，设定性能指标，然后优化内部骨架结构的分布，从而达到提升性能、降低重量的目的。该方法对于实体零件具有良好的表现，但通常在现役的舵翼中，其内部骨架已经处于较为合理的分布状态，拓扑优化方法所能起到的优化效果非常有限，且难以调控。

2)另外一种方法使用多孔微结构对零件内部的实体材料进行替换，从而降低零件的总重。这种减重策略通常采用阵列方法将微结构填充进零件的内部，因此需要根据填充区域的外形进行裁剪等操作。阵列方法在设计时需要消耗大量的计算资源，并且所生成结构的排布与零件内部区域的形状并不匹配，极易出现连接薄弱或冗余的情况。

综上可知，目前各类针对舵翼的轻量化优化方法中仍存在减重效果不明显、难以调控、计算复杂度过大以及优化结构与设计区域不匹配等缺陷。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可调控、计算复杂度低、连接稳定且实现轻量化的仿生轻质微结构舵翼的制作方法。

技术方案：本发明的舵翼的制作方法，包括如下步骤：

(1)根据舵翼模型的工作载荷，选取微结构设计区域；

(2)按照设定的仿生微结构单元尺寸，首先在单位平面内生成对应数量的参考点，再映射到微结构设计区域的上下边界上，根据映射后的参考点位置对微结构设计区域进行共形体素划分；划分后的体素单元以顶点索引的形式存储于数组结构中；

(3)根据仿生微结构单元的拓扑连接关系，形成轻质微结构的骨架线信息；

(4)根据骨架线以及杆径信息，构建距离场函数和等值面，生成三角网格模型；

(5)将三角网格模型与去除填充区域后的舵翼主体进行布尔运算，完成边界处的连接，生成舵翼模型。

进一步，步骤(1)中，在有限元仿真软件中施加工作载荷，以降低零件总体体积为目标，进行拓扑优化分析，筛选出用于微结构填充的区域。

进一步，步骤(2)中，将参考点坐标代入设计区域边界曲面的参数方程中，完成边界上参考点的映射。

进一步，步骤(3)中，仿生微结构单元的拓扑连接关系通过体素单元顶点空间坐标以及顶点间的组合运算进行表征，完成微结构单元的填充。

进一步，步骤(4)中，所述距离场函数由有向距离场构建，距离场函数的中心为微结构骨架线；所述微结构单元的外表面，是由有向距离场中大小为半径值的等值面；所述半径值根据体积减小的目标进行估算，是通过实际构建微结构模型与填充区域的总体积对比而得到的值。

进一步，步骤(5)完成后，所生成的舵翼模型以三角网格形式存储。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、根据所设定的微结构单元大小，将单位平面内的参考点映射到曲面边界上，再根据映射后的参考点位置完成了复杂空间内的体素划分,所生成的体素网格将与整个区域保持共形，从而保证后续填充的微结构与舵翼本体保持良好的连接；2、微结构生成的过程中采取了水平集方法，通过仿生微结构的骨架线在空间中构建起有向距离场函数，并按半径值对等值面进行抽取，避免了阵列方法中大量的布尔运算，显著降低了计算复杂度；3、本发明的方法不仅保证舵翼性能和重量可控，而且计算速度快，微结构与零件的连接也更为可靠，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的总流程图；

图2为本发明的舵翼模型图；

图3为本发明在任意曲面边界内填充共形微结构的流程示意图；

图4中的(a)为本发明优化舵翼模型的原始状态示意图；(b)为本发明根据拓扑优化结果选择出的微结构填充区域示意图，(c)为本发明中微结构单元填充到设计区域后生成的模型示意图，(d)为本发明的微结构单元与原始模型舵面部分完成边界连接后的状态示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

如图1所示为本发明的总流程图。首先从舵翼零件内部选取优化设计区域，再利用具有轻质高强性质的仿生微结构对优化设计区域进行填充，最后通过水平集方法完成网格模型的生成，舵翼模型如图2所示。

本发明的舵翼制作方法，包括以下步骤：

步骤1，根据舵翼模型工作载荷选取微结构设计区域，在有限元仿真软件中施加工作载荷，并基于拓扑优化方法，以降低零件整体体积为目标，选择出用于填充微结构单元的设计区域。

舵翼模型以step格式存储，总长度在200mm左右，舵面部分与尾部长度基本相同。将舵翼导入有限元仿真软件中，因其在工作状态下受到均匀的平面载荷，所以通过选取多个施力点施加集中载荷来模拟均布载荷状态。其中，舵翼零件的材料为Ti6Al4V。

根据仿真分析结果，表明零件的承力区域主要集中在舵翼与舵轴的装配处，而舵翼模型中的筋条骨架是以该部分区域为圆心，呈辐射状分布，其平均厚度在5mm左右。因此减重优化的设计区域集中在筋条上，同时为了保证优化后筋条的强度，径向与环向筋条相交的区域不纳入设计区域中。最终，本发明舵翼模型的优化区域由多个独立的空间构成，形状与分布如图2所示。由于本发明采取增材制造工艺对零件进行整体制造，所以为了确保在后续制造过程中仿生微结构区域的材料能够顺利排出，还需要在包含设计区域的筋条侧壁上开设直径为5mm的排粉孔。

步骤2，先按照所设定的微结构单元尺寸，确定设计区域在uv方向上的微结构单元数量，再在单位平面内生成对应数量的参考点，通过计算映射到设计区域的上下边界S1和S2上，最后连接S1和S2上uv坐标相同的参考点，利用线性插值得到微结构单元在第三个维度上的顶点坐标，完成具有复杂形状的设计区域的体素划分；划分后的体素单元以顶点索引的形式存储于数组结构中，如图3所示。

由于本发明中存在复数个填充设计区域，因此需要逐一地对每个区域的边界进行处理。在提取单个设计区域的边界曲面时，需保证两个边界的朝向相同，才能保证相同uv坐标的顶点在映射到两个曲面上后能够正确的连接。另外，由于本发明中沿径向筋条分布的设计区域厚度仅为5mm左右，为了保证仿生微结构的完整性和可制造性，将微结构单元的尺寸限制在5mm左右。当单元大小确定后，对于每一个设计区域而言，由于其大小存在较大差异，因此需要求出上下表面的等效长度，再除以微结构单元尺寸，从而得到该区域在u和v两个方向上的参考点数量。在厚度方向上，除去右上角区域能够容纳两层微结构以外，其余均为一层。

在计算出所有区域的体素顶点坐标后，需按照一定的顺序对顶点进行存储。由于所生成的体素单元与设计区域是共形关系，因此体素单元可能在立方体的基础上发生一定的变形，因此需要八个顶点的位置才能确定体素的状态。为了避免空间坐标的重复存储，首先将所有顶点的坐标与索引存储在索引数组中，而体素单元在存储时仅使用参考点的索引号。

步骤3，根据仿生微结构单元的拓扑连接关系，使用体素单元的顶点组合对微结构进行表征，完成单元的填充，形成轻质微结构的骨架线信息。

本发明中所选用的微结构类型为体心立方，因视轻量化设计的目标性能的差别，也可以选用其他类型的微结构单元。体心立方的拓扑连接结构由体素单元的四条对角线构成，因此可以通过四组顶点的组合予以表征。这种表示方法以标准立方体为框架，在将其应用到步骤2中生成的所有体素单元后，能够使微结构单元在拓扑结构不变的情况下，适应体素单元的外形变化，最终所得到的线段存储于数组结构中，作为舵翼零件内部体心立方微结构的骨架线。

步骤4，根据原始舵翼设计中的应力分布以及减重目标，计算微结构单元的杆径，并结合骨架线信息，骨架线以及杆径信息构建距离场函数，再使用移动立方体算法对距离场函数的零水平面进行抽取，生成三角网格模型。

三角网格模型的距离场函数由有向距离场构建，距离场函数的中心为微结构骨架线；微结构单元的外表面，由有向距离场中大小为半径值的等值面表示，所述半径值根据体积减小的目标估算而来，并通过实际构建微结构模型与填充区域的总体积对比而得到确定的值。有向距离场的提取，采用VTK(visualization toolkit视觉化工具函式库)中封装的基于标量树的移动立方体算法。

本发明中所有区域内微结构的相对密度均为30％，微结构单元的杆径为0.46mm。在生成距离场函数时，需要包括所有区域内的微结构骨架线，减少重复计算的次数。计算过程中，首先对骨架线包围盒进行偏置，偏置距离应大于预设的微结构半径值，才能保证生成封闭的网格模型。之后再对偏置后的空间进行体素划分，体素划分的精度直接影响到后续生成模型的精度以及计算时间，精度越高，后续模型的网格尺寸越小，生成模型所需的时间越长，本发明中精度为0.2mm。然后，通过计算所有体素顶点到骨架线的距离值，以离散的形式近似地表征出结构的距离场函数。

对等值面进行提取的过程中，需要继承计算距离场函数时的体素精度。由于处于等值面附近的体素仅占总体的一小部分，大部分体素都处于等值面外，其八个顶点的距离值全部大于0.46mm，或者处于等值面的内部，其八个顶点的距离值全部小于0.46mm。为此，抽取过程可以使用多线程，一次性对多个体素单元进行计算；也可以在构建体素数据结构时将体素序号与其空间位置相对应，再基于二分查找的思想，加快无效体素的筛选速度。本发明中选择了通过数据结构加速等值面构建的过程。

步骤5，将微结构网格模型与去除填充区域后的舵翼零件主体进行布尔运算，完成边界处的连接。

步骤4中所生成的微结构网格模型属于三角网格模型，而舵翼模型的主体部分为step格式，在进行布尔运算前需要先将零件主体转换为stl格式。布尔运算的结构可直接用于零件的制造，本发明舵翼模型体积为93717.19mm³，使用仿生微结构优化后的舵翼体积为84161.09，减重效果可达10.2％。

本发明的实现过程中，机翼各状态如图4中的(a)、图4中的(b)、图4中的(c)、图4中的(d)。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种仿生轻质微结构舵翼的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）根据舵翼模型的工作载荷，选取微结构设计区域；

（2）按照设定的仿生微结构单元尺寸，首先在单位平面内生成对应数量的参考点，再映射到微结构设计区域的上下边界上，根据映射后的参考点位置对微结构设计区域进行共形体素划分；划分后的体素单元以顶点索引的形式存储于数组结构中；

（3）根据仿生微结构单元的拓扑连接关系，使用类型为体心立方的体素单元的顶点组合对仿生微结构进行表征，将表征后的微结构单元映射到划分好的共形体素中，得到仿生轻质微结构的骨架线信息，并以线段形式存储至对应的数组结构中；

所述仿生微结构单元的拓扑连接关系通过体素单元顶点空间坐标以及顶点间的组合运算进行表征，完成微结构单元的填充；

（4）根据原始舵翼设计中的应力分布以及减重目标，计算出微结构单元的杆径，并结合骨架线信息、骨架线以及杆径信息构建距离场函数；再使用移动立方体算法对距离场函数的零水平面进行抽取，最终生成三角网格模型；

所述距离场函数由有向距离场构建，距离场函数的中心为微结构骨架线；

所述微结构单元的外表面，是由有向距离场中大小为半径值的等值面；所述半径值根据体积减小的目标进行估算，是通过实际构建微结构模型与填充区域的总体积对比而得到的值；

（5）将三角网格模型与去除填充区域后的舵翼主体进行布尔运算，完成边界处的连接，生成舵翼模型。

2.根据权利要求1所述的仿生轻质微结构舵翼的制作方法，其特征在于，步骤（1）中，在有限元仿真软件中施加工作载荷，以降低零件总体体积为目标，进行拓扑优化分析，筛选出用于微结构填充的区域。

3.根据权利要求1所述的仿生轻质微结构舵翼的制作方法，其特征在于，步骤（2）中，将参考点坐标代入设计区域边界曲面的参数方程中，完成边界上参考点的映射。

4.根据权利要求1所述的仿生轻质微结构舵翼的制作方法，其特征在于：步骤（5）完成后，所生成的舵翼模型以三角网格形式存储。