CN114239155A - 一种fdm机架拓扑优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FDM机架拓扑优化方法及系统，通过建立FDM机架的三维模型，设定三维模型的工业物理参数，基于刚度最大化和质量最小为约束条件对三维模型进行拓扑优化，根据拓扑优化的结果，更改三维模型的体积分数或最小尺寸参数，在刚度最大化和质量最小为约束条件下得到优化三维模型，本发明通过对FDM机架进行优化、减重及强度校核，使机架结构在满足强度要求的基础上最大化减轻重量，实现轻量化的要求，使研发周期更短、性能更优，减少研发成本、缩短研发周期，本发明通过优化分析，以刚度最大化优化目标，质量最小为约束条件实现机架材料按需分配，最终给出结构设计的合理方案，使大型机架结构的综合静态和动态性能得到改善。
Description
技术领域
本发明属于结构拓扑优化领域，具体涉及一种FDM机架拓扑优化方法及系统。
背景技术
FDM(熔融沉积成型)是目前发展最广的3D打印技术，市场上机型大多以桌面机为主。相比桌面机FDM，工业级机型无论在成型尺寸还是成型精度、稳定性等方面都有很大提升。其机械系统主要包括机架、挤出系统、运动机构、加热系统等，其中，机架是FDM打印机中主要的承载机构，其承载能力直接影响设备稳定性和打印精度。区别于机床结构，工业级FDM挤出设备在运行过程中不会产生强大的冲击力，整个挤出系统在机架的支撑下较低速运行，若采用传统的重型结构设计则偏于保守。但同时考虑到三段式螺杆长臂挤出系统高速启停、频繁转向的运行状态，机架的结构性能要求需要结合设备研发需求进行轻量化设计。目前拓扑优化(topology optimization) 主要用于结构设计方案阶段，即根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，对设定的的区域内对材料分布进行优化从而获得最优设计方案的数学方法。现有文献刘卫.基于增材制造的鹅颈铰链优化设计，对飞机上常见的鹅颈铰链进行研究，探索航空零部件在初始设计阶段的拓扑优化流程，最终获得创新优质的结构构型。模型的优化结果和在载荷工况密切相关，飞机在飞行过程中工况复杂，会受到许多外部动载荷，并未考虑考虑鹅颈铰链结构的动态特性，因此最终优化的参考结构有一定的局限性，机架是FDM打印机中主要的承载机构，目前优化方法无法有效利用材料的性能得到最佳结构，材料利用率低且维修存在诸多不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种FDM机架拓扑优化方法及系统，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种FDM机架拓扑优化方法，包括以下步骤：
步骤1)、根据FDM机架设计基本尺寸参数要求建立FDM机架的三维模型；
步骤2)、设定三维模型的工业物理参数；
步骤3)、基于刚度最大化和质量最小为约束条件对三维模型进行拓扑优化，得到三维模型上力的传递路径；
步骤4)、根据拓扑优化的结果，更改三维模型的体积分数或最小尺寸参数，在刚度最大化和质量最小为约束条件下得到优化三维模型；
步骤5)、根据优化三维模型重构FDM机架模型，对重构FDM机架模型进行校核，若满足位移和应力要求时，则完成优化并输出工程参数；若不满足位移或应力要求，则重新进行优化拓扑，直至同时满足位移和应力要求，从而完成FDM机架的拓扑优化。
进一步的，建立FDM机架各部件的独立模型，将各独立模型组件形成FDM 机架三维模型。
进一步的，按照FDM机架的设计位置、承载重量以及支撑空间功能建立 FDM机架的最大尺寸三维模型。
进一步的，工业物理参数包括材料参数、设计空间及非设计空间、载荷和约束。
进一步的，采用UG软件建立FDM机架的三维模型，将建立的三维模型输出igs文件，将输出的igs文件导入到solidThinking Inspire软件中，设置材料参数、定义设计空间及非设计空间、载荷和约束。
进一步的，将重构FDM机架模型导入Hypermesh软件划分网格并选择OptiStruict求解器，分别对重构FDM机架模型的强度和模态进行求解，若重构FDM机架模型满足位移和应力要求时完成设计，不满足要求则返回重新优化拓扑。
进一步的，仿真计算得到的最大当量应力不超过机架材料的许用应力，所述许用应力为材料的屈服强度与安全系数的比值。
进一步的，安全系数取1.5。
进一步的，一阶模态固有频率要求大于外在激励载荷2倍。
一种FDM机架拓扑优化系统，包括模型建立模块、拓扑优化模块和重构校准模块；
模型建立模块用于根据FDM机架设计基本尺寸参数要求完成FDM机架的三维模型建立，并且能够设置三维模型的工业物理参数，拓扑优化模块基于刚度最大化和质量最小为约束条件对三维模型进行拓扑优化，得到三维模型上力的传递路径，根据拓扑优化的结果，通过拓扑优化模块更改三维模型的体积分数或最小尺寸参数，在刚度最大化和质量最小为约束条件下得到优化三维模型，重构校准模块根据优化三维模型重构FDM机架模型，对重构FDM 机架模型进行校核，若满足位移和应力要求时，则完成优化并输出工程参数；若不满足位移或应力要求，则通过拓扑优化模块重新进行优化拓扑，直至同时满足位移和应力要求。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种FDM机架拓扑优化方法，通过根据FDM机架设计基本尺寸参数要求建立FDM机架的三维模型，设定三维模型的工业物理参数，基于刚度最大化和质量最小为约束条件对三维模型进行拓扑优化，得到三维模型上力的传递路径，根据拓扑优化的结果，更改三维模型的体积分数或最小尺寸参数，在刚度最大化和质量最小为约束条件下得到优化三维模型，根据优化三维模型重构FDM机架模型，对重构FDM机架模型进行校核，若满足位移和应力要求时，则完成优化并输出工程参数；若不满足位移或应力要求，则重新进行优化拓扑，直至同时满足位移和应力要求，从而完成FDM机架的拓扑优化，本发明通过对FDM机架进行优化、减重及强度校核，使机架结构在满足强度要求的基础上最大化减轻重量，实现轻量化的要求，使研发周期更短、性能更优，减少研发成本、缩短研发周期，本发明通过优化分析，以刚度最大化优化目标，质量最小为约束条件实现机架材料按需分配，最终给出结构设计的合理方案，使大型机架结构的综合静态和动态性能得到改善。
进一步的，建立FDM机架各部件的独立模型，将各独立模型组件形成FDM 机架三维模型，能够体现各部件之间的影响因素，提高优化结果。
一种FDM机架拓扑优化系统，结构简单，优化后的机架结构在满足刚度和强度要求的基础上，实验轻量化设计，既保证结构的稳定性又提高产品的美观度，对设备研发起到一定的辅助作用。
附图说明
图1为本发明机架结构优化分析流程图。
图2为本发明机架原始设计模型示意图。
图3为本发明实施例拓扑优化结果示意图。
图4为本发明实施例优化机架位移云图分布示意图。
图5为本发明实施例优化机架应力云图分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种FDM机架拓扑优化方法，包括以下步骤：
步骤1)、根据FDM机架设计基本尺寸参数要求建立FDM机架的三维模型；如图2所示；
具体的，建立FDM机架各部件的独立模型，将各独立模型组件形成FDM 机架三维模型；具体的，按照FDM机架的设计位置、承载重量以及支撑空间功能建立FDM机架的最大尺寸三维模型；
本申请采用UG软件建立FDM机架的三维模型，将建立的三维模型输出 igs文件；
步骤2)、设定三维模型的工业物理参数；
工业物理参数包括材料参数、设计空间及非设计空间、载荷和约束；
具体的，将输出的igs文件导入到solidThinking Inspire软件中，设置材料参数、定义设计空间及非设计空间、载荷和约束；
步骤3)、基于刚度最大化和质量最小为约束条件对三维模型进行拓扑优化，得到三维模型上力的传递路径；结构如图3所示；
步骤4)、根据拓扑优化的结果，更改三维模型的体积分数或最小尺寸参数，在刚度最大化和质量最小为约束条件下得到优化三维模型；优化后的三维模型保留力的传递路径；
步骤5)、根据优化三维模型重构FDM机架模型，对重构FDM机架模型进行校核，若满足位移和应力要求时，则完成优化并输出工程参数；若不满足位移或应力要求，则重新进行优化拓扑，直至同时满足位移和应力要求，从而完成FDM机架的拓扑优化。
具体的，将重构FDM机架模型导入Hypermesh软件划分网格并选择 OptiStruict求解器，分别对重构FDM机架模型的强度和模态进行求解；拓扑优化后结果如图4、图5所示。
根据机架强度校核准则，若重构FDM机架模型满足位移和应力要求时完成设计，不满足要求则返回重新优化拓扑。安全系数取1.5，要求仿真计算得到的最大当量应力不超过机架材料的许用应力，所述许用应力为材料的屈服强度与安全系数的比值。满足应力要求即：一阶模态固有频率要求大于外在激励载荷2倍，以避免打印过程中机架与电机、减速机工作过程中产生共振，造成设备的抖动，影响3D挤出系统稳定性和成型件打印质量。
约束和载荷依据实际工况，不同的约束和载荷会影响传力路径和材料分布，优化结构也不同。
所述优化参数设置，包括选择质量目标和频率约束选项设置参数，尝试修改设计体积分数选择和最小尺寸可以得到不同的优化结果，结合设计经验综合评价分析
本发明在设计阶段对FDM机架进行优化、减重及强度校核，使机架结构在满足强度要求的基础上最大化减轻重量，实现轻量化的要求，使研发周期更短、性能更优，减少研发成本、缩短研发周期。本发明通过优化分析，以刚度最大化优化目标，质量最小为约束条件实现机架材料按需分配，最终给出结构设计的合理方案，使大型机架结构的综合静态和动态性能得到改善。
相比原设计模型，优化后的机架结构在满足刚度和强度要求的基础上，实验轻量化设计，既保证结构的稳定性又提高产品的美观度，对设备研发起到一定的辅助作用。
Claims (10)
1.一种FDM机架拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、根据FDM机架设计基本尺寸参数要求建立FDM机架的三维模型；
步骤2)、设定三维模型的工业物理参数；
步骤3)、基于刚度最大化和质量最小为约束条件对三维模型进行拓扑优化，得到三维模型上力的传递路径；
步骤4)、根据拓扑优化的结果，更改三维模型的体积分数或最小尺寸参数，在刚度最大化和质量最小为约束条件下得到优化三维模型；
步骤5)、根据优化三维模型重构FDM机架模型，对重构FDM机架模型进行校核，若满足位移和应力要求时，则完成优化并输出工程参数；若不满足位移或应力要求，则重新进行优化拓扑，直至同时满足位移和应力要求，从而完成FDM机架的拓扑优化。
2.根据权利要求1所述的一种FDM机架拓扑优化方法，其特征在于，建立FDM机架各部件的独立模型，将各独立模型组件形成FDM机架三维模型。
3.根据权利要求2所述的一种FDM机架拓扑优化方法，其特征在于，按照FDM机架的设计位置、承载重量以及支撑空间功能建立FDM机架的最大尺寸三维模型。
4.根据权利要求1所述的一种FDM机架拓扑优化方法，其特征在于，工业物理参数包括材料参数、设计空间及非设计空间、载荷和约束。
5.根据权利要求1所述的一种FDM机架拓扑优化方法，其特征在于，采用UG软件建立FDM机架的三维模型，将建立的三维模型输出igs文件，将输出的igs文件导入到solidThinkingInspire软件中，设置材料参数、定义设计空间及非设计空间、载荷和约束。
6.根据权利要求1所述的一种FDM机架拓扑优化方法，其特征在于，将重构FDM机架模型导入Hypermesh软件划分网格并选择OptiStruict求解器，分别对重构FDM机架模型的强度和模态进行求解，若重构FDM机架模型满足位移和应力要求时完成设计，不满足要求则返回重新优化拓扑。
7.根据权利要求1所述的一种FDM机架拓扑优化方法，其特征在于，仿真计算得到的最大当量应力不超过机架材料的许用应力，所述许用应力为材料的屈服强度与安全系数的比值。
8.根据权利要求7所述的一种FDM机架拓扑优化方法，其特征在于，安全系数取1.5。
9.根据权利要求7所述的一种FDM机架拓扑优化方法，其特征在于，一阶模态固有频率要求大于外在激励载荷2倍。
10.一种FDM机架拓扑优化系统，其特征在于，包括模型建立模块、拓扑优化模块和重构校准模块；
模型建立模块用于根据FDM机架设计基本尺寸参数要求完成FDM机架的三维模型建立，并且能够设置三维模型的工业物理参数，拓扑优化模块基于刚度最大化和质量最小为约束条件对三维模型进行拓扑优化，得到三维模型上力的传递路径，根据拓扑优化的结果，通过拓扑优化模块更改三维模型的体积分数或最小尺寸参数，在刚度最大化和质量最小为约束条件下得到优化三维模型，重构校准模块根据优化三维模型重构FDM机架模型，对重构FDM机架模型进行校核，若满足位移和应力要求时，则完成优化并输出工程参数；若不满足位移或应力要求，则通过拓扑优化模块重新进行优化拓扑，直至同时满足位移和应力要求。
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