一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法与流程

本发明涉及一种产品的结构优化方法，更具体地说，涉及一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，简化了表面类结构的轻量化生成过程，非常适合增材制造。

背景技术：

增量制造技术的应用始于20世纪80年代，涵盖产品开发、数据可视化、快速成型和特殊产品制造领域。在90年代增量制造技术在生产领域(分批生产、大量生产和分布式制造)的应用有了进一步发展。21世纪早期增量生产在工业生产的金属加工领域也第一次达到了前所未有的规模。21世纪初，增量制造相关器械销量大幅增加，价格大幅下降。咨询公司Wohlers Associates称，2012年3D打印机和3D打印服务在全球的价值为22亿美元，比2011年增加29％。增量制造技术同时也派生出许多应用服务，涵盖建筑、工程建造(AEC)、工业设计、汽车、航空、军事、工程学、口腔和医药工业、生物科技(人体器官移植)、时尚、鞋类、珠宝、眼镜、教务、地理信息系统、饮食等领域。

随着定制化的3D打印需求不断增长，需要更有创造性的高性能的轻量化结构材料。各行各业很早便采用拓扑优化技术来构建结构高效的轻量型创新设计。该技术尤其适合与3D打印结合使用，因为拓扑优化能够制作出自由形态的有机结构，而这样的结构用传统制造方法通常很难甚至是无法实现。因而，由于受到特定生产流程的限制，优化设计概念的效率还可能会失效。3D打印提供了前所未有的形态制作自由度，它与拓扑优化技术相结合，在保持结构完整性及性能属性的同时还使设计表现出更高创造性。

拓扑优化技术运用于明确力学条件的物理模型，可以创造出更为高效的结构模型，但由于生形过程中，参数较多，对边界条件的选择相对复杂，拓扑计算过程相对较长，设计师操作技能要求比较高；对于一些力学边界相对不明确，工况条件复杂的情况往往无法快速进行轻量化生形，不仅提高了建模的成本而且增加了设计时间。

网格化技术现已大量运用于医疗用3D打印材料，多孔性作为对生物医学植入物的功能性要求，也尤为重要，类似于平板式的结构件仍然缺少成熟的快速生形策略，因此为了实现该类结构轻量化的快速设计制造并保证优良的力学性能，在拓扑优化研究的基础上，提出一种基于有限元结果的表面轻量化方法，保证结构具有较高结构强度和刚度的前提下，材料消耗大幅度降低，同时拥有美观的结构化表面。

由于传统的拓扑优化优化结果较为单一，显示出典型的力学流线和特征，大部分情况下可以满足工业及工程要求，但对于类似于医疗护具等受力较小，刚度要求较高，兼有美观要求的产品，传统拓扑优化技术难以得到较好的优化成果。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，采用本发明的技术方案，利用有限元仿真结果，驱动结构网格密度的分布，将曲面类基础数据分割重构，该方法着重于有限元结果的直观反馈，通过控制随机点阵密度与有限元结果相联系，避免了拓扑优化过程中大规模的迭代试算，加快了结构的生形，简化了表面类结构的轻量化生成过程，非常适合增材制造。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，包含以下步骤：

(1)有限元网格划分及分域划分：对连续体表面进行有限元网格划分，施加边界条件进行力学有限元计算；根据连续体表面形状对设计区域进行区块划分，建立区块与有限元网格之间的对应关系；

(2)随机点布置：根据有限元计算结果的分布，在不同的区块内设置不同密度的随机点；

(3)随机点结构化：根据随机点的分布，采用结构化算法进行表面结构化，得到平面网格；

(4)实体化：将平面网格进行偏移加厚，形成可打印的实体网格，同时细分已有网格并进行实体光顺；

(5)强度验证：将实体化的连续体重新进行有限元网格划分，并进行有限元强度分析，若强度无法满足，则重新从步骤(4)开始，对实体化的连续体进行加厚加粗，最终获得满足设计要求的模型。

优选地，在步骤(1)中，区块可以为均匀大小的区块，也可以为大小不同的区块，区块的大小界定原则为：按区块内网格计算结果指标方差恒定为依据。

进一步优选地，各区块的大小界定具体方法为：将连续体表面进行有限元网格划分，并进行多边形区块划分，区块内计算单元最大应力为σ_max，应力平均值为E(P)，方差D(P)，各区块内方差D(P)值应满足D(P)≤[D(P)]+Δ，Δ为允许偏差值，若某区块不满足上式要求，减小该区块大小后重新布置。

优选地，在步骤(2)中，按以下原则布置随机点：

(2-1)根据有限元计算结果值干扰均匀随机点，形成聚向性随机点阵；

(2-2)随机均匀点，按照设计区块内有限元计算结果大小均匀布置对应个数的随机点。

优选地，在步骤(3)中，采用Delaunay三角网或Voronoi多边形原则进行表面结构化。

优选地，在步骤(4)中，利用Catmull-Clark算法细分已有网格并进行实体光顺。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，其利用有限元仿真结果，驱动结构网格密度的分布，将曲面类基础数据分割重构，该方法着重于有限元结果的直观反馈，通过控制随机点阵密度与有限元结果相联系，避免了拓扑优化过程中大规模的迭代试算，加快了结构的生形，简化了表面类结构的轻量化生成过程，非常适合增材制造；

(2)本发明的一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，其设计过程简便易控，轻量化结构结果可根据用户的喜好进行孔洞疏密定制；

(3)本发明的一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，其结构在应力较小区块仍然保留了一部结构件，因此结构对不可预见受力工况具有更高的冗余度；

(4)本发明的一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，其设计结果能够兼具坚固性和仿生美观性。

附图说明

图1为本发明的一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法的设计流程图；

图2为本发明中一种实施例的有限元区块划分示意图；

图3为本发明中一种实施例的随机点布置示意图；

图4为本发明中一种实施例的随机点结构化平面网格示意图；

图5为本发明中一种实施例的连续体表面轻量化模型示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例

结合图1所示，本实施例的一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，包含以下步骤：

(1)有限元网格划分及分域划分：对连续体表面进行有限元网格划分，对网格设置材料性质及表面厚度信息，施加边界条件(荷载边界条件及约束边界条件)进行力学有限元计算，获得单元应变能结果(参见如图2所示)；根据连续体表面形状对设计区域进行区块划分，建立区块与有限元网格之间的对应关系；在本实施例中，区块可以为均匀大小的区块，也可以为大小不同的区块，区块的大小界定原则为：按区块内网格计算结果指标方差恒定为依据，例如，将连续体表面进行有限元网格划分，并进行多边形区块划分，区块内计算单元最大应力为σ_max，应力平均值为E(P)，方差D(P)，各区块内方差D(P)值应满足D(P)≤[D(P)]+Δ，Δ为允许偏差值，若某区块不满足上式要求，减小该区块大小后重新布置。

(2)随机点布置：根据有限元计算结果的分布，在不同的区块内设置不同密度的随机点(参见图3所示)；随机点的布置可按以下原则：

(2-1)根据有限元计算结果值干扰均匀随机点，形成聚向性随机点阵；

(2-2)随机均匀点，按照设计区块内有限元计算结果大小均匀布置对应个数的随机点。

在本实施例中，简单划分为四边形区块(如图3所示)，根据网格应变能密度计算区块均值，各个设计区块均进行相同的计算，获得区块内平均应变能密度根据设定的单区块基准随机点数N，进行各区块随机点数计算，在i区域布置N_i数量的随机点。

(3)随机点结构化：根据随机点的分布，采用结构化算法进行表面结构化，得到平面网格(参见图4所示)；具体地，可采用Delaunay三角网或Voronoi多边形原则进行表面结构化，例如图4中采用Voronoi多边形进行表面结构化。

(4)实体化：将平面网格进行偏移加厚，形成可打印的实体网格，同时细分已有网格并进行实体光顺，最终获得实体封闭的网格体(如图5所示)；具体地，可利用Catmull-Clark算法细分已有网格并进行实体光顺。

(5)强度验证：将实体化的连续体重新进行有限元网格划分，并导入有限元软件进行有限元强度分析，若强度无法满足，则重新从步骤(4)开始，对实体化的连续体进行加厚加粗，最终获得满足设计要求的模型，可交付进行3D打印生产。

本发明的一种基于有限元结果的连续体表面轻量化方法，对需求表面进行网格划分，施加需求边界条件进行力学计算；根据表面形状进行设计区域的区块划分，建立区块与有限元计算单元对应关系；根据区块内的有限元计算结果，统计区块内单元结果分布，建立大小不同晶格组成的孔状表面；建立了有限元优化反馈策略，以变密度随机孔洞规则生成轻量化结构。该方法着重于有限元结果的直观反馈，通过控制随机点阵密度与有限元结果相联系，避免了拓扑优化过程中大规模的迭代试算，加快了结构的生形，简化了表面类结构的轻量化生成过程，非常适合增材制造；过程简便易控，轻量化结构结果可根据用户的喜好进行孔洞疏密定制；同时设计结果能够兼具坚固性和仿生美观性。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。