[发明专利]基于铸造数值模拟与拓扑优化的金属芯骨设计方法

说明书

本发明公开了一种基于铸造数值模拟与拓扑优化的金属芯骨设计方法，包括：构建关于待铸造件的三维几何模型，所述三维几何模型包括金属芯骨子模型；在所述金属芯骨子模型的至少一端约束的条件下，根据所述三维几何模型中所述金属芯骨子模型的受力向量，对所述金属芯骨子模型进行拓扑优化，获取所述金属芯骨子模型任一单元区域的单元密度，并对各所述单元区域的单元密度迭代运算，以确定任一所述单元区域是否为实体区域，进而调整所述金属芯骨子模型的结构。本发明的基于铸造数值模拟与拓扑优化的金属芯骨设计方法，能够大大降低金属芯骨的耗材量，便于金属芯骨重复利用。

技术领域

本发明属于零件铸造技术领域，更具体地，涉及一种基于铸造数值模拟与拓扑优化的金属芯骨设计方法。

背景技术

砂型铸造具有生产成本低、应用合金种类广泛等特点，被广泛应用于上述装备复杂关键零件制造。但是，传统的铸造工艺常将砂芯分成几块分别制备组装，需要考虑装配定位和精度问题，制作周期长，成本高，难以制造复杂型腔模具。激光3D打印基于逐层堆积原理，能够有效解决复杂砂型制造难的问题，解决了复杂砂型(芯)制造的形状问题。但是，铸造过程对复杂砂型(芯)性能要求是多元化的，不同结构、不同壁厚部位对砂型的要求也各不相同，因此对型砂提出了个性化需求。金属芯骨可以增强增强型芯透气性和溃散性，提高型芯强度，解决发气量大的问题，故金属芯骨与砂型(芯)一体化打印已经是发展砂型(芯)成形的研究热点。

金属芯骨与砂型(芯)一体化打印意味着每一次打印就需要打印一次芯骨，导致了金属芯骨的一次性使用，造成资源浪费以及制造成本提高等问题；并且，目前，在制备金属芯骨时，通常按照金属芯骨具备最大受力条件的需求进行制备，使得金属芯骨通常为柱体结构，金属芯骨使得用于制备金属芯骨的材料使用量大大增加。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于铸造数值模拟与拓扑优化的金属芯骨设计方法，其目的在于解决目前金属芯骨耗材量大、不便于重复利用的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于铸造数值模拟与拓扑优化的金属芯骨设计方法，包括：

构建关于待铸造件的三维几何模型，所述三维几何模型包括金属芯骨子模型；

在所述金属芯骨子模型的至少一端约束的条件下，根据所述三维几何模型中所述金属芯骨子模型的受力向量，对所述金属芯骨子模型进行拓扑优化，获取所述金属芯骨子模型任一单元区域的单元密度，并对各所述单元区域的单元密度迭代运算，以确定任一所述单元区域是否为实体区域，进而调整所述金属芯骨子模型的结构。

优选地，对所述金属芯骨子模型进行拓扑优化，所述拓扑优化的过程包括如下函数：

其中，C为金属芯骨子模型的柔度，ρ^e为金属芯骨子模型的单元密度，U为金属芯骨子模型受力而发生形变时形成的位移矩阵，U^T为金属芯骨子模型受力而发生位移的位移矩阵U的转置矩阵，F为金属芯骨子模型的受力向量，k₀为金属芯骨子模型单元区域的刚度矩阵，u_e为金属芯骨子模型的单元区域的位移矩阵，u_e^T为金属芯骨子模型的单元区域的位移矩阵的转置矩阵，p为惩罚因子。

优选地，对所述金属芯骨子模型进行拓扑优化，包括：

由所述金属芯骨子模型经所述拓扑优化前后的体积之间的关系，以及所述金属芯骨子模型的各单元区域在发生形变时形成的位移矩阵与所述受力向量之间的关系，建立约束方程，以使得对各所述单元区域的调节满足所述约束方程。

优选地，所述约束方程为：