[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

说明书

本发明提出了一种拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法，首先建立连接铰结构的初始模型；利用Inspire软件对模型进行拓扑优化；利用布尔运算将点阵结构填充到拓扑优化后的模型中；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；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；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。本发明的方法可实现连接铰的轻量化，同时保证连接铰的强度。

技术领域

本发明属于机构设计领域，特别是一种拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法。

背景技术

增材制造技术能够制造高度复杂的结构，为创新设计到现实产品的转换提供了有力支撑，同时拓扑优化、晶格优化等轻量化创新设计方法能够考虑复杂工况和制造约束进行设计而无需基于传统设计经验，将轻量化创新设计与增材制造技术相结合，能够更好地发挥创造力与先进制造技术的优势，优化结构的设计空间。

点阵结构具有高强度比、良好的散热性、减震等优良性能，然而现有的点阵结构采用的是内部晶胞结构相同，不能达到结构的最优化以及最大限度的轻量化；多集中于杆状结构，限制了结构的多自由度，以及出现大量的悬垂结构，在制造打印时容易坍塌等现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法，以实现连接铰的轻量化。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种拓扑优化与点阵结构结合的轻量化连接铰优化方法，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。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明采用隐式函数生成点阵结构，它能够有效的控制单元结构的形态，这使得结构设计上更加自由，能根据需求对内部结构做出调整，以满足强度和质量的要求。

(2)本发明采用应力扩散的方法，将应力划分为高应力区、过渡区、低应力区，为后续优化限定了区域，大大减少了算法的循环次数。

(3)本发明采用拓扑优化和异形点阵结构结合的方法，不仅实现了结构的二次轻量化，达到二次减重的目的，还增强了内部结构的强度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明