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机械工程学报 2024年第11期60卷 41-52页

作者：宗子凯肖蜜周冕沙伟高亮华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074 华中科技大学国家智能设计与数控技术创新中心武汉430074

等几何拓扑优化方法实现结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺条件,因此,在优化设计阶段考虑制... 详细信息

等几何拓扑优化方法实现结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺条件,因此,在优化设计阶段考虑制造工艺约束显得尤为重要。针对金属增材制造中常见的局部过热现象和悬垂角要求,提出一种约束局部过热的自支撑结构等几何拓扑优化方法。采用基于等几何分析的变密度法,引入可打印密度的概念,将不满足打印要求的单元过滤,实现结构自支撑;采用稳态热过程模拟模型近似评估结构的局部过热程度,并将其引入等几何拓扑优化模型中加以约束。数值算例和仿真结果表明,相比于传统等几何拓扑优化方法和仅考虑自支撑特性的等几何拓扑优化方法,该方法设计的结构在满足自支撑特性的基础上,能有效缓解增材制造中结构的局部过热现象,从而减小结构的热变形,提高尺寸精度。

关键词：等几何拓扑优化悬垂角约束局部过热约束增材制造

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基于等几何分析和变密度法的增材制造结构拓扑优化方法研究

基于等几何分析和变密度法的增材制造结构拓扑优化方法研究

引用

作者：宗子凯华中科技大学

学位级别：硕士

等几何拓扑优化方法实现了结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺要求,因此在优化设计阶段考虑制... 详细信息

等几何拓扑优化方法实现了结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺要求,因此在优化设计阶段考虑制造工艺约束显得尤为重要。因此,本文针对增材制造的工艺特点,采用基于等几何分析的变密度法,开展了考虑增材制造工艺约束的等几何拓扑优化方法的研究,本文主要工作如下:首先,针对考虑增材制造工艺约束的拓扑优化问题,以等几何拓扑优化为基础,利用基于Heaviside函数的鲁棒设计公式,构建了考虑可制造性的等几何拓扑优化模型。其可以隐式施加最小尺寸约束,增强优化迭代的鲁棒性,确保优化得到的构型可制造。其次,开展了考虑结构特征尺寸约束的等几何拓扑优化设计。利用鲁棒设计公式控制固相和空相的最小尺寸,采用圆环或球壳表征结构的最大特征尺寸。以最小化柔度作为优化的目标函数,构建同时考虑结构最大尺寸和最小尺寸约束的等几何拓扑优化模型,结合数值算例,验证该方法的有效性,并对比分析了p-mean和pnorm聚合方法的效果。接着,开展了考虑悬垂角约束和结构自重载荷的等几何拓扑优化设计。以等几何拓扑优化方法为基础,考虑悬垂角约束和结构自重载荷的影响,改进材料插值模型,构建考虑悬垂角约束和结构自重载荷的等几何拓扑优化模型。通过约束单元的可打印密度来实现结构自支撑,采用链式法则开展灵敏度分析,通过算例分析验证了所提出的方法的有效性和可制造性。然后,开展了考虑局部过热约束的自支撑结构等几何拓扑优化设计。采用稳态热过程模拟模型近似评估结构的局部过热程度,并将其引入到优化模型中加以约束。结合前述的悬垂角约束,构建了考虑局部过热约束的等几何拓扑优化模型,采用移动渐近线法进行求解。通过算例分析、仿真分析和增材制造验证了所提出的方法能够有效的缓解增材制造中结构的局部过热现象,从而减小结构的热变形,提高尺寸精度。最后,对全文研究工作进行了总结,并展望了未来可进一步研究的方向。

关键词：等几何拓扑优化结构特征尺寸约束悬垂角约束局部过热约束增材制造

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