一种基于拓扑优化的空间可展开结构及其设计方法

本发明涉及机械结构设计，尤其涉及一种基于拓扑优化的空间可展开结构及其设计方法。

背景技术：

1、空间可展开结构是一种可以在一定程度上折叠和展开的结构。这种结构具有很强的适应性和可扩展性，可以广泛应用于各种领域，如航天、工程、医疗等。

2、在航天领域，一些机构如太阳能帆板、空间天线等，由于运载火箭整流罩尺寸限制，需要通过折叠收拢到较小的体积，便于储存和发射，待入轨后展开得到大型空间结构。

3、在建筑领域，可展开结构还可应用于可折叠屋顶、可展开遮阳伞和可展开天窗等，这些结构可以在需要时展开或折叠，从而提高建筑的节能性和舒适性。

4、在医疗领域，可展开结构可用于医疗设备，例如可折叠轮椅、医疗器械等。这些设备可以在需要时进行快速展开，并提供必要的支持和功能。

5、参见附图2-3，现有的一种空间可展开结构，其体积过大，材料内部大部分结构应力为零，为多余结构。当制作模型的材料密度较大时，弹性结构无法将模型展开。

技术实现思路

1、为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种具有强适应性和可扩展性的基于拓扑优化的空间可展开结构及其设计方法。

2、本发明公开了一种基于拓扑优化的空间可展开结构的设计方法，包括如下步骤：对原空间可展开结构进行有限元分析，得到所述原空间可展开结构的应力分布结果，所述应力分布结果包括规则实体上每个有限元单元的应变能；将应变能最小作为优化目标、体积减小作为约束条件，对所述原空间可展开结构进行拓扑优化，不断修改拓扑优化参数，直至满足所述优化目标，输出拓扑优化模型；并记录不同拓扑优化参数设置下的所述拓扑优化模型；所述拓扑优化参数包括目标体积；分析获得所述拓扑优化过程中的不同拓扑优化参数设置下的所述拓扑优化模型的综合特点，进行逆向建模，获得终模型。

3、优选的，所述对原空间可展开结构进行有限元分析，得到所述原空间可展开结构的应力分布结果包括：分析获取所述对原空间可展开结构的主要受力部分，得到初始模型；对所述初始模型设定材料属性并施加有限元分析边界条件，以对所述初始模型进行有限元分析；所述材料属性包括弹性模量和泊松比；所述有限元分析边界条件包括将所述初始模型的主要受力部固定，在所述初始模型的运动副表面、左右两所述主要受力部的连接处的内表面分别施加载荷。

4、优选的，所述运动副表面的载荷大小大于所述连接处的内表面载荷大小。

5、优选的，所述将应变能最小作为优化目标、体积减小作为约束条件，对所述原空间可展开结构进行拓扑优化，不断修改拓扑优化参数，直至满足所述优化目标，输出拓扑优化模型包括：基于变密度法，以离散单元的相对密度为设计变量，以应变能最小为优化目标，以体积不超过原初始模型的体积的预设百分比为约束条件，对所述初始模型进行拓扑优化，不断修改拓扑优化参数，直至所述初始模型的应变能相对于上一拓扑优化参数下的应变能的差值位于预设阈值内，输出拓扑优化模型。

6、优选的，所述将应变能最小作为优化目标、体积减小作为约束条件，对所述原空间可展开结构进行拓扑优化，不断修改拓扑优化参数，直至满足所述优化目标，输出拓扑优化模型之后还包括：分析所述拓扑优化模型的各个有限元单元的应变能，若存在预设数量n以上的有限元单元的应变能为0，则继续修改拓扑优化参数，直至预设数量m(m≤n)以下的有限元单元的应变能为0，输出二次拓扑优化模型。

7、优选的，所述将应变能最小作为优化目标、体积减小作为约束条件，对所述原空间可展开结构进行拓扑优化，不断修改拓扑优化参数，直至满足所述优化目标，输出拓扑优化模型之后还包括：分析所述拓扑优化模型的各个有限元单元的应变能，若存在预设数量x以上的有限元单元的应变能小于第一应变能阈值、且预设数量y以上的有限元单元的应变能大于第二应变能阈值，则继续修改拓扑优化参数，直至预设数量x0以下的有限元单元的应变能小于第一应变能阈值、且预设数量y0以下的有限元单元的应变能大于第二应变能阈值；第一应变能阈值小于第二应变能阈值，x0＜x，y0＜y。

8、优选的，所述分析获取所述对原空间可展开结构的主要受力部分，得到初始模型之前还包括：将所述对原空间可展开结构进行对称分割，选取两对称部中的其中一对称部，分析获取所述对称部的主要受力部分，得到初始模型；所述逆向建模之后，还包括：对所述逆向建模后的模型进行对称变换以获得另一所述对称部，从而获得所述终模型。

9、优选的，获得终模型之后还包括：通过增材制造技术一体化成型制造所述终模型以获得所述基于拓扑优化的空间可展开结构；所述增材制造技术中的材料包括树脂、尼龙、聚乳酸。

10、本发明还公开了一种基于拓扑优化的空间可展开结构，采用上述的设计方法，所述空间可展开结构包括运动副、主要受力部和连接杆，所述运动副与所述主要受力部为一体件；所述主要受力部上设有螺栓孔，所述连接杆分别通过所述螺栓孔连接左右两所述主要受力部；所述运动副为齿轮，两所述对称部的齿轮相互啮合；两所述对称部的所述齿轮啮合运动，从而实现所述空间可展开结构的收拢与展开；还包括弹性件，所述弹性件的两端分别连接两所述对称部；对所述主要受力部施加力以使得两所述对称部的齿轮啮合，从而使得所述空间可展开结构收拢；卸载所述主要受力部上的力后，所述对称部由于所述弹性件实现自动展开。

11、优选的，还包括支撑板，两所述支撑板分别设于所述主要受力部上，与两所述主要受力部垂直，且设于所述主要受力部远离所述齿轮的一侧；所述弹性件为弹性带簧铰链。

12、采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

13、1.采取有限元分析对原模型进行拓扑优化设计，在保证模型强度足够的同时较大程度上减小了模型的体积，具有轻量化、稳定性好的优点，可以维持其原有功能的同时，具有便携性与轻质性。

技术特征：

1.一种基于拓扑优化的空间可展开结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的空间可展开结构的设计方法，其特征在于，所述对原空间可展开结构进行有限元分析，得到所述原空间可展开结构的应力分布结果包括：

3.根据权利要求2所述的基于拓扑优化的空间可展开结构的设计方法，其特征在于，所述运动副表面的载荷大小大于所述连接处的内表面载荷大小。

4.根据权利要求2所述的基于拓扑优化的空间可展开结构的设计方法，其特征在于，所述将应变能最小作为优化目标、体积减小作为约束条件，对所述原空间可展开结构进行拓扑优化，不断修改拓扑优化参数，直至满足所述优化目标，输出拓扑优化模型包括：

5.根据权利要求2所述的基于拓扑优化的空间可展开结构的设计方法，其特征在于，所述将应变能最小作为优化目标、体积减小作为约束条件，对所述原空间可展开结构进行拓扑优化，不断修改拓扑优化参数，直至满足所述优化目标，输出拓扑优化模型之后还包括：

6.根据权利要求2所述的基于拓扑优化的空间可展开结构的设计方法，其特征在于，所述将应变能最小作为优化目标、体积减小作为约束条件，对所述原空间可展开结构进行拓扑优化，不断修改拓扑优化参数，直至满足所述优化目标，输出拓扑优化模型之后还包括：

7.根据权利要求2所述的基于拓扑优化的空间可展开结构的设计方法，其特征在于，所述分析获取所述对原空间可展开结构的主要受力部分，得到初始模型之前还包括：

8.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的空间可展开结构的设计方法，其特征在于，获得终模型之后还包括：

9.一种基于拓扑优化的空间可展开结构，其特征在于，采用上述权利要求1-8任一所述的设计方法，所述空间可展开结构包括运动副、主要受力部和连接杆，所述运动副与所述主要受力部为一体件；所述主要受力部上设有螺栓孔，所述连接杆分别通过所述螺栓孔连接左右两所述主要受力部；所述运动副为齿轮，两所述对称部的齿轮相互啮合；

10.根据权利要求9所述的基于拓扑优化的空间可展开结构的设计方法，其特征在于，还包括支撑板，两所述支撑板分别设于所述主要受力部上，与两所述主要受力部垂直，且设于所述主要受力部远离所述齿轮的一侧；

技术总结
本发明提供了一种基于拓扑优化的空间可展开结构及其设计方法，设计的结构包括左右零件两部分。使用拓扑优化设计方法设计零件既能保证零件的刚度，又能减轻结构的重量。设计步骤主要是先通过有限元分析软件进行零件的拓扑优化，再通过三维机械设计软件进行优化模型的逆向建模。两零件通过弹性材料连接，以齿轮为运动副，通过螺栓、连接杆相互联结，共同组合称为铰链结构，可以实现部件的收拢与展开。使用本方法设计的结构具有轻量化、稳定性好的优点，因此可以使重建后的模型维持其原有功能的同时，使模型具有便携性与轻质性。

技术研发人员：安宁,吴冬霖,刘立业,赵逸飞
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14