[发明专利]一种拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法

权利要求书

1.一种拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立连接铰结构的初始模型；

步骤2、利用Inspire软件对模型进行拓扑优化：将建立的模型输入到inspire软件中，将连接铰分为优化区域和非优化区域，得出优化后的初始模型；

步骤3、利用布尔运算将点阵结构填充到拓扑优化后的模型中：采用隐式曲面的方法生成点阵结构，然后利用布尔运算将点阵结构填充到拓扑优化后的模型中；

步骤4、利用有限元方法对填充后的模型进行应力分析，将应力区划分为高应力区、过渡区、低应力区：首先对模型进行网格四面体划分，对模型进行网格四面体划分；计算模型中网格四面体的冯米斯应力值，通过离散操作以四面体顶点应力值替代四面体应力情况，根据顶点应力值对模型受力区域进行划分，将其分为高应力区域、过渡区域以及低应力区域三部分；

步骤5、调整点整结构的密度：通过调整隐式函数中点阵单元占体素单元体积的比例因子，生成新的内部点阵结构，分析新的内部点阵结构应力情况，计算新的应变能值；

步骤6、更新模型应力和体积：比较前后两个应变能值，评估新的内部点阵结构的总的点阵结构体积与结构强度是否满足需求，满足体积分数和结构强度的要求，则输出优化后模型。

2.根据权利要求1所述的拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法，其特征在于，步骤1建立连接铰结构的初始模型为：

建立的连接铰包括底板、立板、两个加强板、铰扣；所述立板固定在底板上端，立板上端设有铰扣；所述底板和立板之间设置两个加强板固定；底板底部设有四个螺栓安装孔；所述立板上端中间设有铰接安装孔；立板上端侧端设有卡槽；卡槽下端高于加强板，卡槽上端低于铰接安装孔的中心孔。

3.根据权利要求2所述的拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法，其特征在于，步骤2对模型进行拓扑优化具体包括以下步骤：

2.1、将连接铰分为优化区域和非优化区域，将螺栓安装孔、铰接安装孔及铰接安装孔以上部分设为非优化区域；其余部分设有优化区域；

2.2、设定非优化区域时，以螺栓安装孔为中心，以螺栓安装孔直径的1.6-2倍区域设定为非优化区域；以铰接安装孔为中心，以铰接安装孔直径的1.2-1.4倍区域及铰接安装孔以上部分设定为非优化区域；

2.3、建立约束条件为：在四个螺栓安装孔11处添加螺栓连接，在卡槽上端面施加垂直向上的载荷。

4.根据权利要求3所述的拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法，其特征在于，步骤3填充到拓扑优化后的模型具体包括以下步骤

3.1、采用隐式曲面的方法生成点阵结构，隐式函数为：

sinUcosV+sinVcosW+sinWcosU＝t (1)

其中L表示体素单元边长，t是点阵单元占体素单元体积的比例因子；x、y、z表示笛卡尔坐标中的点坐标；

3.2、利用布尔运算将点阵结构填充到拓扑优化后的模型中。

5.根据权利要求4所述的拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法，其特征在于，步骤4应力区划分具体包括以下步骤：

4.1、对填充后的模型进行网格四面体划分并进行应力分析，应力分析公式为：

其中σ为网格各顶点的冯米斯应力，其中τ_xy，τ_yz，τ_zx分别为XOY面剪切力，YOZ面剪切力，ZOX面剪切力，σ_xx，σ_yy，σ_zz分别为笛卡尔坐标中X轴主应力，Y轴主应力，Z轴主应力

4.2、将应力区划分为高应力区、过渡区、低应力区：

计算模型中网格四面体的冯米斯应力值，通过离散操作以四面体顶点应力值替代四面体应力情况，根据顶点应力值对模型受力区域进行划分，将其分为高应力区域、过渡区域以及低应力区域三部分。