一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法

本发明涉及点阵结构与拓扑优化结合领域，具体而言，涉及一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法。

背景技术：

1、增材制造技术能够制造高度复杂的结构，为创新设计到现实产品的转换提供了有力支撑，同时将轻量化创新设计与增材制造技术相结合，能够更好地发挥创造力与先进制造技术的优势，优化结构的设计空间。点阵结构具有高强度比、良好的散热性、减震等优良性能，然而现有的点阵结构采用的是内部晶胞结构相同，不能达到结构的最优化以及最大限度的轻量化。

2、但是现有的点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构缺少函数过滤使得传递函数中的随频率变化的粘弹性材料阻尼矩阵与刚度矩阵从变量提升了计算效率，其次是现有点阵材料未填充的点阵结构，点阵结构与性能比较差，因此我们对此做出改进，提出一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对目前存在的背景技术提出的问题，为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，步骤1、通过点阵结构数值拟合建立点阵材料相对密度与其点阵结构物理属性之间的建立函数关系，点阵结构函数为：

2、d1(s)＝lattice(d11(s)·d12(s)·d13(s))，其中d11为以点阵结构的点阵材料密度值；

3、通过步骤simp插值方法建立点阵材料和实体材料相结合的点阵结构多材料插值模型；步骤simp插值函数为：

4、h(x,y)＝(g(x,y)*f(x,y))；

5、g(x,y)、f(x,y)分别为点阵函数和插值输入函数；

6、步骤2、以材料体积用量为约束，以点阵结构柔度最小化为目标实现点阵拓扑结构进行结合并进行多尺度拓扑优化，通过点阵结构与拓扑优化结合的过程中对点阵结构数值和拓扑结构进行结合，并通过点阵材料进行填充；

7、步骤3、所述点阵结构三维微结构单元作为点阵材料，通过数值拟合建立轻量化结构优化关系，并结合材料试验机研究点阵材料填充点阵结构在准静态压缩条件下的力学性能，轻量化结构优化函数为：

8、

9、g(x,y)为点阵结构轻量化结构优化函数，x,y分别点阵结构的点阵坐标。

10、步骤4、点阵材料填充点阵结构相比未填充的点阵结构，增大和提高的幅值远大于点阵结构与单纯点阵材料试件性能的叠加。

11、作为本发明优选的技术方案，步骤5所述点阵材料的拓扑构型，点阵材料由一个或者有限个参数来控制，通过参数变化使得点阵材料演化出拓扑构型。

12、作为本发明优选的技术方案，步骤6通过多相材料构成的轻质点阵结构分析及拓扑优化方法，以结构宏观单元密度和点阵材料微观构件多材料设计变量，分别构建了体积约束下的点阵结构，以基频约束下的点阵结构的最小柔顺性建立优化模型。

13、作为本发明优选的技术方案，步骤7点阵结构的柔顺度目标函数将结构最小应变能作为优化目标，对点阵结构进行结构和材料协同优化。

14、作为本发明优选的技术方案，步骤8点阵结构加工通过统一微材料构型的约束材料受力状态的不同，对点阵结构的所有微材料进行分区，并对不同区域的点阵结构微材料进行分别优化。

15、作为本发明优选的技术方案，步骤9点阵结构宏观单元的相对密度与微材料中微观杆件的截面积为变量，对载荷同时作用下的点阵结构进行宏观结构拓扑与微观结构构型并发优化。

16、作为本发明优选的技术方案，步骤10三维点阵仿生功能结构中材料的弹性模量相差较大时，异质点阵拓扑优化的结果会与单一材料拓扑优化的结果进行轻量化结构优化。

17、作为本发明优选的技术方案，步骤11点阵结构不同位置材料的不同受力状态，对点阵结构进行自动地团簇分区，不同分区内的点阵结构微材料构型对不同分区内的微材料构型进行分别优化。

18、作为本发明优选的技术方案，步骤12异质三维点阵仿生功能结构的阻尼特性，提出了基于窗口函数的复杂异质粘弹性点阵复模态计算，复杂异质粘弹性点阵复模态计算公式为：

19、

20、f(x,y)为点阵复模态计算公式，x,y分别异质三维点阵的点阵坐标,a，b阻尼系数；

21、通过函数过滤使得传递函数中的随频率变化的粘弹性材料阻尼矩阵与刚度矩阵从变量提升了计算效率。

22、作为本发明优选的技术方案，步骤13所述窗口函数的异质粘弹性点阵复模态计算复杂异质粘弹性点阵结构。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果：

24、在本发明的方案中：

25、1.通过点阵结构数值拟合建立点阵材料相对密度与其点阵结构物理属性之间的建立函数关系，以点阵结构的点阵材料密度为量，通过步骤simp插值方法建立点阵材料和实体材料相结合的点阵结构多材料插值模型，以材料体积用量为约束，以点阵结构柔度最小化为目标实现点阵拓扑结构进行结合并进行多尺度拓扑优化，通过点阵结构与拓扑优化结合的过程中对点阵结构数值和拓扑结构进行结合，并通过点阵材料进行有效的填充；

26、2.所述点阵结构三维微结构单元作为点阵材料，通过数值拟合建立轻量化结构优化关系，并结合材料试验机研究点阵材料填充点阵结构在准静态压缩条件下的力学性能；点阵材料填充点阵结构相比未填充的点阵结构，增大和提高的幅值远大于点阵结构与单纯点阵材料试件性能的叠加，所述点阵材料的拓扑构型，点阵材料由一个或者有限个参数来控制，通过参数变化使得点阵材料演化出拓扑构型；

27、3.通过多相材料构成的轻质点阵结构分析及拓扑优化方法，以结构宏观单元密度和点阵材料微观构件多材料设计变量，分别构建了体积约束下的点阵结构，以基频约束下的点阵结构的最小柔顺性建立优化模型，点阵结构的柔顺度目标函数将结构最小应变能作为优化目标，对点阵结构进行结构和材料协同优化。

技术特征：

1.一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，其特征在于，步骤5所述点阵材料的拓扑构型，点阵材料由一个或者有限个参数来控制，通过参数变化使得点阵材料演化出拓扑构型。

3.根据权利要求2所述的一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，其特征在于，步骤6通过多相材料构成的轻质点阵结构分析及拓扑优化方法，以结构宏观单元密度和点阵材料微观构件多材料设计变量，分别构建了体积约束下的点阵结构，以基频约束下的点阵结构的最小柔顺性建立优化模型。

4.根据权利要求3所述的一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，其特征在于，步骤7点阵结构的柔顺度目标函数将结构最小应变能作为优化目标，对点阵结构进行结构和材料协同优化。

5.根据权利要求4所述的一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，其特征在于，步骤8点阵结构加工通过统一微材料构型的约束材料受力状态的不同，对点阵结构的所有微材料进行分区，并对不同区域的点阵结构微材料进行分别优化。

6.根据权利要求5所述的一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，其特征在于，步骤9点阵结构宏观单元的相对密度与微材料中微观杆件的截面积为变量，对载荷同时作用下的点阵结构进行宏观结构拓扑与微观结构构型并发优化。

7.根据权利要求6所述的一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，其特征在于，步骤10三维点阵仿生功能结构中材料的弹性模量相差较大时，异质点阵拓扑优化的结果会与单一材料拓扑优化的结果进行轻量化结构优化。

8.根据权利要求7所述的一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，其特征在于，步骤11点阵结构不同位置材料的不同受力状态，对点阵结构进行自动地团簇分区，不同分区内的点阵结构微材料构型对不同分区内的微材料构型进行分别优化。

9.根据权利要求8所述的一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，其特征在于，步骤12异质三维点阵仿生功能结构的阻尼特性，提出了基于窗口函数的复杂异质粘弹性点阵复模态计算，复杂异质粘弹性点阵复模态计算公式为：

10.根据权利要求9所述的一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，其特征在于，步骤13所述窗口函数的异质粘弹性点阵复模态计算复杂异质粘弹性点阵结构。

技术总结
本发明提供了一种点阵结构与拓扑优化结合的轻量化结构优化方法，通过点阵结构数值拟合建立点阵材料相对密度与其点阵结构物理属性之间的建立函数关系，以点阵结构的点阵材料密度为量，通过步骤SIMP插值方法建立点阵材料和实体材料相结合的点阵结构多材料插值模型，增大和提高的幅值远大于点阵结构与单纯点阵材料试件性能的叠加，点阵材料由一个或者有限个参数来控制，通过参数变化使得点阵材料演化出拓扑构型，通过多相材料构成的轻质点阵结构分析及拓扑优化方法，以基频约束下的点阵结构的最小柔顺性建立优化模型，点阵结构的柔顺度目标函数将结构最小应变能作为优化目标，对点阵结构进行结构和材料协同优化。

技术研发人员：张琳琳,秦志英,杨光,赵月静
受保护的技术使用者：河北科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12