[发明专利]一种增材制造点阵夹芯结构设计方法及结构

说明书

本发明提供了一种增材制造点阵夹芯结构设计方法及结构，涉及增材制造技术领域，能够为采用增材制造工艺制备点阵夹芯结构提供切实可行的设计方案，拓展增材制造点阵结构的应用场景；该方法将初始结构假设为实心结构进行拓扑优化，再根据拓扑优化的结果对初始结构的蒙皮厚度进行调整，然后通过点阵填充优化在调整后结构的空腔部分填充点阵，完成设计；拓扑优化的优化目标为带有权重的总体结构应变能最小，约束条件包括：体分比约束、最小尺寸约束和/或最大尺寸约束；点阵填充优化的优化目标为带权重的总体结构刚度最大，约束条件包括：总质量约束、点阵目标长度约束、最小直径约束和/或最大直径约束。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造点阵夹芯结构设计方法及结构。

背景技术

点阵结构是三维有序多孔结构的一种，由周期性的点阵单胞组成。可以通过单胞的构型和几何尺寸设计实现其功能性的调控。点阵结构与桁架结构类似，是由大量的杆件结构在空间内彼此相连组成的，区别在于点阵结构的尺寸要小得多。研究发现，点阵结构与当前常用的轻质材料相比，具有更高的比强度与比刚度。同时由于其内部有大量孔洞连通，具有良好的散热、隔热，减振降噪性能。

增材制造点阵夹芯结构因为其复杂性和特殊性，对其进行合理的设计一直是研究热点和难点，针对增材制造点阵夹芯结构的设计，尚无完善的技术方案，限制了增材制造点阵结构的应用与发展。

现有技术1公开了一种基于拓扑优化的梯度点阵结构设计方法，该发明可保证结构材料分布合理性；避免拓扑优化过程重复，算法效率高；可适用于复杂几何构型的点阵化设计；可建立支柱尺寸梯度变化的点阵结构。但该发明仅提供了适用于梯度点阵的结构设计方法，并未针对夹芯结构提出蒙皮的设计方法，本专利面向点阵夹芯结构，从蒙皮设计到点阵填充提供了设计方法。

现有技术2公开了一种复合型点阵材料及其设计方法，包括在一定载荷条件下对给定的连续体几何结构进行拓扑分析，对几何结构不同区域采用不同的点阵化微结构设计，有效结合了不同点阵类型的结构特征和性能优势，对于形状复杂的零件，点阵填充更加灵活，提高了胞元排布适应性，并减少了胞元数量，提高了点阵化填充效率，进一步减轻了材料重量实现轻量化。但该发明提供了在不同功能区域采用不同点阵微结构设计的方法，而本发明提供了针对夹芯结构的力学性能要求，先调整蒙皮厚度，再填充点阵的方法。

因此，有必要研究一种增材制造点阵夹芯结构设计方法及结构来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种增材制造点阵夹芯结构设计方法及结构，能够为采用增材制造工艺制备点阵夹芯结构提供切实可行的设计方案，拓展增材制造点阵结构的应用场景。

一方面，本发明提供一种增材制造点阵夹芯结构设计方法，其特征在于，所述方法将初始结构假设为实心结构进行拓扑优化，再根据拓扑优化的结果对初始结构的蒙皮厚度进行调整，然后通过点阵填充优化在调整后结构的空腔部分填充点阵，完成设计。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法的具体步骤包括：

S1、将需填充结构(即初始结构)假设为实心结构，建立几何模型；

S2、对所述几何模型进行拓扑优化；

S3、根据优化结果对所述需填充结构进行几何重构，对应力集中处的蒙皮加厚，得到变厚度蒙皮的空腔模型；

S4、对空腔模型的内部进行点阵填充优化，得到最终的点阵夹芯结构几何模型。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S3中空腔模型的空隙部分对应的蒙皮厚度为增材制造工艺范围内的最小值。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S4中的优化目标为带权重的总体结构刚度最大。