[发明专利]一种折纸结构的优化设计及制造方法

说明书

本发明涉及计算机辅助设计，特别是涉及一种折纸结构的优化设计及制造方法，制造折纸结构之前，对折纸结构进行有限元建模、对折纸结构的有限元模型建立拓扑优化数学模型和对拓扑优化数学模型进行求解，得到优化后的折纸结构的最优结构材料分布，通过在计算机中对折纸结构进行优化设计，对折纸结构完成优化设计后，利用优化设计的结果，对折纸结构进行三维建模并且将折纸机构的三维图展开成二维图以便进行加工，最后根据优化后的折纸机构的材料分布情况，对薄板进行减材处理，对减材处理后的薄板进行折叠。本发明不仅减少了产品设计周期，而且还能提高生产效率和经济性，对于折纸结构的制造性和装配性都有了一定的提高。

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计，特别是涉及一种折纸结构的优化设计及制造方法。

背景技术

现有技术中，在对机械结构进行设计过程中，工程师一般先根据经验对机械结构进行设计，然后对机械结构进行机械性能测试和力学性能测试，若不满足设计要求，则对机械结构进行重新设计和实验测试，直到得到满足设计要求的机械结构，上述设计过程往往与制造流程脱节，设计周期过长，经济性差，导致结构的制造性、装配性和可维护性极低。

目前，工程师可通过结构优化设计方法在电脑中快速得到所需要的机械结构，大大缩短了机械结构的设计周期。近年来，3D打印技术近年来大大提升了结构设计和制造的效率。然而，3D打印技术存在价格昂贵、效率低、打印材料局限、打印尺寸限制等缺点。特别对于薄板组成的大型金属结构，3D打印效率和质量极低。因此，如何快速设计折纸结构显得十分重要。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种折纸结构的优化设计及制造方法，以解决现有技术中折纸结构的设计周期长和经济性差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种折纸结构的优化设计及制造方法，包括以下步骤：

S1、利用有限元软件建立折纸结构模型；

S2、利用有限元软件所述折纸结构模型建立拓扑优化数学模型；

S3、对所述拓扑优化数学模型进行求解得到所述折纸结构的最佳结构材料分布；

S4、根据所述折纸结构的最佳结构材料分布，在三维软件中建立优化后的所述折纸结构的三维图，并将优化后的所述折纸结构的三维图展开成二维图；

S5、根据展开的优化后的所述折纸结构的二维图，将薄板制造出优化后的所述折纸结构。

可选的，所述步骤S1中，所述折纸结构模型的建立包括所述有限元软件对所述折纸结构材料属性的设定，所述折纸结构的材料属性包括所述折纸结构的弹性模量和泊松比。

可选的，所述步骤S1中，所述折纸结构模型的建立还包括所述有限元软件对所述折纸结构的有限元网格划分，所述有限元网格划分包括施加在所述折纸结构的边界条件和外载力。

可选的，所述步骤S3中利用如下公式建立拓扑优化数学模型：

Minimize:f(ρ)

Subject to:gi(ρ)≤0,i＝1,...,m

hj(ρ)＝0,j＝1,...,t

ρ＝[ρ1,...,ρe,...,ρN]T

0<ρmin≤ρe≤1