空间结构节点参数化拓扑优化-3D打印方法

本发明涉及一种空间结构设计构建技术，尤其涉及一种空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法。

背景技术：

1、空间钢结构是一种由多个杆件通过节点连接而成的轻质高强的结构形式，具有广泛的工程应用价值。空间钢结构的节点是结构传力的关键部件，其设计直接影响结构的性能、安全和美观。

2、目前的问题在于：

3、问题1，传统节点材料利用效率低，杆件交汇区域应力集中，造型单一缺乏美感；

4、问题2，现有的节点拓扑优化流程多为手动操作，需要在几个商业软件之间频繁转换，操作繁琐，效率低下，不能根据不同的设计参数进行灵活调整，缺乏通用性和可扩展性；

5、问题3，传统冶金制造工艺难以实现复杂优化节点的精密成型。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，采用该方法能够设计构建得出美观轻盈、材料布局合理、传力路径清晰的高性能结构节点。

2、为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，所述拓扑优化-3d打印方法包括：

4、s1，基于参数化平台grasshopper，构建结构节点的三维模型，该三维模型作为初始结构节点三维模型；

5、s2，基于参数化平台grasshopper，对所述初始结构节点三维模型进行拓扑优化处理，得出优化后结构节点三维模型；

6、s3，对于所述优化后结构节点三维模型进行3d打印适应性处理，得出适应3d打印的结构节点三维模型；

7、s4，采用3d打印机将结构节点三维模型打印成实体。

8、进一步地，所述拓扑优化处理依据beso算法来实现。

9、进一步地，所述beso算法将刚度优化问题表述为如下数学模型：

10、minimize:

11、subject to:

12、xi＝xmin or 1

13、其中，

14、minimize指最小化；

15、subject to指满足条件；

16、c为平均柔度，k和u为结构的整体刚度矩阵和位移向量；

17、vi和v*分别是第i个单元的体积和目标体积，n是单元总数；

18、xi是二进制设计变量，表示第i个单元的密度，xi＝1为实单元，xi＝xmin则为虚单元；

19、xmin表示虚单元。

20、进一步地，所述对所述初始结构节点三维模型进行拓扑优化处理，其具体实现的方法包括：

21、s21，利用mesh parting组件来定义初始结构节点三维模型的设计区域；

22、s22，利用mesh parting组件来定义初始结构节点三维模型的有限元网格；

23、s23，利用load系列组件来定义初始结构节点三维模型的荷载；

24、s24，利用boundary系列组件来定义初始结构节点三维模型的边界条件；

25、s25，利用preprocessing组件来定义初始结构节点三维模型的材料属性；

26、s26，利用preprocessing组件来定义初始结构节点三维模型的拓扑优化参数；

27、s27，利用beso算法来对初始结构节点三维模型实施拓扑优化处理。

28、进一步地，所述有限元网格的网格最小尺寸为杆件直径的1/20至1/10。

29、进一步地，利用云服务器算力来实施对所述初始结构节点三维模型进行拓扑优化处理。

30、进一步地，所述对于所述优化后结构节点三维模型进行3d打印适应性处理，其具体实现的方法包括：

31、s31，使用openvdb算法来修复优化后结构节点三维模型中的非流形边缘；

32、s32，运用laplacian平滑算法来对优化后结构节点三维模型进行表面平滑处理；

33、s33，利用quadriflow算法将优化后结构节点三维模型逆向重构为由纯四边形网格构成的三维模型；

34、s34，利用细分曲面处理方法对结构节点三维模型进行处理，处理得出轮廓表面光滑封闭的三维模型；

35、s35，将结构节点三维模型实例化到rhino中，并将该三维模型转换为非均匀有理b样条的曲面形式。

36、进一步地，在构建初始结构节点三维模型的过程中，采用细分曲面处理方法创建表面光滑的初始结构节点三维模型。

37、进一步地，在将结构节点三维模型打印成实体的过程中，将结构节点三维模型转换为stl格式文件，将该stl格式文件导入到fusion360平台的cam模块中，结合打印机参数自动设计出合理的节点摆放位置、支撑方式、切片和打印路径，最终将所生成的gcode打印命令导入到3d打印机中完成打印。

38、进一步地，所述结构节点所用材质为钢材。

39、在本发明的拓扑优化-3d打印方法中，设置了基于拓扑优化处理的空间结构节点设计，由于拓扑优化可以在给定载荷和约束条件下，自动生成最优或近似最优的材料分布形态，实现结构性能的最大化或最小化，故可以设计出美观轻盈、材料布局合理、传力路径清晰的高性能节点，从而解决了背景技术中提及的问题1：“传统节点材料利用效率低，杆件交汇区域应力集中，造型单一缺乏美感”。

40、在本发明的拓扑优化-3d打印方法中，设置了参数化拓扑优化方法，由于参数化拓扑优化方法用数学函数或者编程语言来建模、优化与后处理，并且可以通过改变输入属性的参数值来实现优化结果的快速生成和变化，从而解决了背景技术中提及的问题2：“现有的节点拓扑优化流程多为手动操作，需要在几个商业软件之间频繁转换，操作繁琐，效率低下，不能根据不同的设计参数进行灵活调整，缺乏通用性和可扩展性”。

41、在本发明的拓扑优化-3d打印方法中，采用了金属3d打印技术，由于该技术利用金属粉末或丝材，通过逐层熔化或粘合的方式，可以实现优化节点等造型复杂且形态各异的建筑零件的精密制造，从而解决了背景技术中提及的问题3：“传统冶金制造工艺难以实现复杂优化节点的精密成型”。

技术特征：

1.一种空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，其特征在于：所述拓扑优化-3d打印方法包括：

2.根据权利要求1所述空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，其特征在于：所述拓扑优化处理依据beso算法来实现。

3.根据权利要求2所述空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，其特征在于：所述beso算法将刚度优化问题表述为如下数学模型：

4.根据权利要求1所述空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，其特征在于：所述对所述初始结构节点三维模型进行拓扑优化处理，其具体实现的方法包括：

5.根据权利要求4所述空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，其特征在于：所述有限元网格的网格最小尺寸为杆件直径的1/20至1/10。

6.根据权利要求4所述空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，其特征在于：利用云服务器算力来实施对所述初始结构节点三维模型进行拓扑优化处理。

7.根据权利要求1所述空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，其特征在于：所述对于所述优化后结构节点三维模型进行3d打印适应性处理，其具体实现的方法包括：

8.根据权利要求1所述空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，其特征在于：在构建初始结构节点三维模型的过程中，采用细分曲面处理方法创建表面光滑的初始结构节点三维模型。

9.根据权利要求1所述空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，其特征在于：在将结构节点三维模型打印成实体的过程中，将结构节点三维模型转换为stl格式文件，将该stl格式文件导入到fusion360平台的cam模块中，结合打印机参数自动设计出合理的节点摆放位置、支撑方式、切片和打印路径，最终将所生成的gcode打印命令导入到3d打印机中完成打印。

10.根据权利要求1所述空间结构节点参数化拓扑优化-3d打印方法，其特征在于：所述结构节点所用材质为钢材。

技术总结
本发明公开了一种空间结构节点参数化拓扑优化‑3D打印方法。该拓扑优化‑3D打印方法包括：S1，基于参数化平台Grasshopper，构建结构节点的三维模型，该三维模型作为初始结构节点三维模型；S2，基于参数化平台Grasshopper，对所述初始结构节点三维模型进行拓扑优化处理，得出优化后结构节点三维模型；S3，对于所述优化后结构节点三维模型进行3D打印适应性处理，得出适应3D打印的结构节点三维模型；S4，采用3D打印机将结构节点三维模型打印成实体。采用该方法能够设计构建得出美观轻盈、材料布局合理、传力路径清晰的高性能结构节点，并且可以通过改变输入属性的参数值来实现优化结果的快速生成和变化。

技术研发人员：陈满泰,左文康
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12