[发明专利]面向3D打印的多尺度孔洞结构轻量化建模方法

说明书

面向3D打印的多尺度孔洞结构轻量化建模方法，属于计算机辅助设计、工业设计制造领域。在给定特征约束和受力工况条件下，通过紧支撑径向基函数插值构建光滑的具有多尺度的多孔模型；将该多尺度多孔模型应用到轻量化建模中，并给出可行优化求解方案；通过3D打印得到实体实验模型，并对实验模型进行工程受力验证；根据工程验证结果分析，修正参数使得优化模型的孔洞变化更加逼近实际受力要求，并通过上述循环迭代过程，得到满足受力要求的轻量化模型。本发明能够真正实现实体模型的轻量化目的，使得模型轻量化设计优化周期大大缩短；设计得到的多孔结构具有光滑性、全连通性、可控性、准自支撑性，能够确保轻量化的有效性、可制造性。

技术领域

本发明属于计算机辅助设计、工业设计制造领域，涉及一种面向3D打印的多尺度孔洞结构轻量化建模方法，适用于具有一般性的部件的轻量化问题，特别是适用于工程轻量化设计与制造。

背景技术

轻量化是现代制造领域中最重要的任务之一，其主要目标是在保证产品可用性的基础上使质量尽可能的小。受轻量化结构设计与优化方法，以及制造手段等限制，传统轻量化设计往往存在结构简单、适用性(功能性)和可控性(结构和受力)不足，且设计周期长等问题。如何研发性能更加优越且可控的轻量化结构，以及利用高效的优化方法实现模型轻量问题求解，来改善和补充目前轻量化面临的问题，是进一步拓展轻量化应用的关键所在。

在轻量化结构方面，多孔结构具有密度低、强度高和渗透性好等优点，是轻量化材料及结构设计的重要方式，且在传统工程制造领域、新兴的微米和纳米制造等领域都有广泛的应用，Nature、Science等权威杂志也纷纷报道相关研究成果。目前，应用最多的还只是简单的多孔结构，如蜂窝结构、支架结构等，前者结构具有较强的各向异性且内部非全连通，后者稳定性差且容易受力集中，这些导致了该类结构在适用性和可控性方面不足等问题，限制了其应用范围。另一方面，在数学理论中，三周期极小曲面具有多孔性、光滑性、连通性、多样性及可控性等诸多优点，能够很好地补充各领域轻量化设计中多样性需求。该类多孔结构由于难以制造没有引起足够重视，而3D打印技术的迅猛发展为其应用提供了条件。因此，将数学理论上属性优越的周期性极小曲面应用到产品轻量化设计中，充分利用其特性来提高轻量化设计的适用性和可控性，符合轻量化发展需求，也是目前国内亟需填补的技术空白区。

鉴于上述原因，本发明利用3D打印在个性化方面的优势，利用周期性极小曲面构造多尺度的多孔结构，并进一步对模型进行轻量化建模，然后通过受力-体积迭代算法对建模问题优化求解，以及利用3D打印技术并通过实体模型验证、反馈等手段进行优化控制，构建具有“建模-优化-反馈控制”的完整模型轻量化框架。实验效果显示，该方法能够在满足实际受力情况下减重达60-70％，同时大大缩短了模型轻量化研发周期。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于三周期极小曲面的多尺度多孔结构，热扩散的壳状模型轻量化方法，建立一整套具有数值模型模拟、3D打印、以及工程验证的模型轻量化建模系统，方法流程如图1所示，主要包括多尺度多孔结构设计，基于该多孔结构的轻量化建模与优化，以及3D打印和工程验证。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种面向3D打印的多尺度孔洞结构轻量化建模方法，其核心内容是在给定特征约束和受力工况(外力)条件下，通过紧支撑径向基函数插值构建光滑的具有多尺度的多孔模型。进一步，将该多尺度多孔模型应用到轻量化建模中，并给出可行优化求解方案；然后，通过3D打印得到实体实验模型，并对实验模型进行工程受力验证。进一步，根据工程验证结果分析，修正参数使得优化模型的孔洞变化更加逼近实际受力要求。最终，通过上述循环迭代过程，得到满足受力要求的轻量化模型。

具体包括以下步骤：

(一)构造多尺度多孔结构

1.1)三周期极小曲面描述

三周期极小曲面通过隐式曲面φ(p)表示为如下所示：