[发明专利]一种仿生轻质微结构舵翼的制作方法

说明书

本发明公开了一种仿生轻质微结构舵翼的制作方法，包括如下步骤：(1)根据原始舵翼模型工作载荷选取微结构设计区域；(2)按照所设定的微结构单元尺寸，对设计区域进行共形体素划分；(3)根据仿生微结构单元的拓扑连接关系，将微结构填充进体素网格中，构建骨架线模型；(4)根据骨架线以及杆径信息构建距离场函数，构建等值面，生成三角网格模型；(5)将微结构的网格模型与原始舵翼模型进行布尔和运算，完成边界处的连接。本发明的方法不仅保证优化后的零件性能和重量可控，而且计算速度快；微结构与零件的连接可靠，应用范围广。

技术领域

本发明涉及舵翼的制作方法，尤其涉及一种仿生轻质微结构舵翼的制作方法。

背景技术

舵翼结构是航空航天飞行器中的主要承力部件之一，其的轻量化设计对于提升飞行性能具有重要的意义。

舵翼零件的结构分为外部蒙皮以及内部骨架两部分，但由于舵翼外形几何尺寸固定，因此优化区域局限于内部骨架部分，目前常用的方法有两种：

1)一种方法是基于拓扑优化理论，对原始舵翼零件施加工作载荷与约束条件，设定性能指标，然后优化内部骨架结构的分布，从而达到提升性能、降低重量的目的。该方法对于实体零件具有良好的表现，但通常在现役的舵翼中，其内部骨架已经处于较为合理的分布状态，拓扑优化方法所能起到的优化效果非常有限，且难以调控。

2)另外一种方法使用多孔微结构对零件内部的实体材料进行替换，从而降低零件的总重。这种减重策略通常采用阵列方法将微结构填充进零件的内部，因此需要根据填充区域的外形进行裁剪等操作。阵列方法在设计时需要消耗大量的计算资源，并且所生成结构的排布与零件内部区域的形状并不匹配，极易出现连接薄弱或冗余的情况。

综上可知，目前各类针对舵翼的轻量化优化方法中仍存在减重效果不明显、难以调控、计算复杂度过大以及优化结构与设计区域不匹配等缺陷。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可调控、计算复杂度低、连接稳定且实现轻量化的仿生轻质微结构舵翼的制作方法。

技术方案：本发明的舵翼的制作方法，包括如下步骤：

(1)根据舵翼模型的工作载荷，选取微结构设计区域；

(2)按照设定的仿生微结构单元尺寸，首先在单位平面内生成对应数量的参考点，再映射到微结构设计区域的上下边界上，根据映射后的参考点位置对微结构设计区域进行共形体素划分；划分后的体素单元以顶点索引的形式存储于数组结构中；

(3)根据仿生微结构单元的拓扑连接关系，形成轻质微结构的骨架线信息；

(4)根据骨架线以及杆径信息，构建距离场函数和等值面，生成三角网格模型；

(5)将三角网格模型与去除填充区域后的舵翼主体进行布尔运算，完成边界处的连接，生成舵翼模型。

进一步，步骤(1)中，在有限元仿真软件中施加工作载荷，以降低零件总体体积为目标，进行拓扑优化分析，筛选出用于微结构填充的区域。

进一步，步骤(2)中，将参考点坐标代入设计区域边界曲面的参数方程中，完成边界上参考点的映射。

进一步，步骤(3)中，仿生微结构单元的拓扑连接关系通过体素单元顶点空间坐标以及顶点间的组合运算进行表征，完成微结构单元的填充。

进一步，步骤(4)中，所述距离场函数由有向距离场构建，距离场函数的中心为微结构骨架线；所述微结构单元的外表面，是由有向距离场中大小为半径值的等值面；所述半径值根据体积减小的目标进行估算，是通过实际构建微结构模型与填充区域的总体积对比而得到的值。

进一步，步骤(5)完成后，所生成的舵翼模型以三角网格形式存储。