一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板技术

本发明专利技术提供一种多尺度优化增材制造基板的方法，建立基板和打印件的几何模型；设定增材制造时的工艺参数，确定基板的设计域；设定基板和打印件的材料参数，基于网格映射法，进行热力耦合有限元分析，计算得到打印过程中基板上的温度分布、应力分布和位移分布；将位移分布作为基板的位移边界条件，建立宏观拓扑优化模型，并基于固体对同性材料惩罚模型，得到宏观拓扑结构；进行晶格拓扑优化，基于水平集法，计算得到微观拓扑晶格结构；将微观拓扑晶格结构等间距点阵排列嵌入宏观拓扑结构的一定区域中，得到所需的多尺度优化的基板拓扑结构。本发明专利技术优化了基板的体积，更加改善基板的刚度，增强其抵抗变形以及破换的力学性能，从而延长使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板
本专利技术属于结构优化设计
，具体涉及一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板。
技术介绍
增材制造技术突破了传统的减材成形或材料受迫成形，是一种基于微积分的原理和计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,CAD）技术，首先建立制备零件的CAD模型，再将加工零件的模型进行切片处理，进而将每层零件切片累加形成最终目标零件的技术。在增材制造过程中，由于激光的循环扫描，打印件和基板经受反复的快热快冷循环，急剧变化的温度场和巨大的局部热梯度导致较大的热应力。又由于基板和打印件的材料可能为异种材料，更加剧了基板与打印件之间接触处的应力集中。基板由于这种长时间的应力集中很容易发生开裂破坏。拓扑优化是一种通过特定的优化算法，在给定的设计域及边界条件下优化材料分布，以提升结构性能。这种基于理论的设计方法相比于经验式设计，更能够充分发挥材料与结构性能。目前对增材制造基板的改良较少，一般采用更换已经发生应力破坏基板的方式进行制造，这种方法无疑造成巨大的浪费，也带来了制造不可靠问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板，能够改善基板的力学性能，延长工作寿命。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种多尺度优化增材制造基板的方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：S1、建立基板和打印件的几何模型；S2、设定增材制造时的工艺参数，确定基板的设计域；S3、设定基板和打印件的材料参数，对基板和打印件进行网格划分，将基板和打印件结构离散为连续网格单元，以网格单元的密度作为设计变量，基于网格映射法，进行热力耦合有限元分析，计算得到打印过程中基板上的温度分布、应力分布和位移分布；S4、将计算得到的基板上的位移分布作为基板的位移边界条件，建立以结构刚度最大化为目标函数、并以体积限制阈值为约束条件的宏观拓扑优化模型，并基于固体对同性材料惩罚模型，引入惩罚因子，进行迭代计算，得到宏观拓扑结构；S5、进行晶格拓扑优化，将微观晶胞简化为二维结构，并将二维结构离散为网格单元，以网格单元密度为设计变量，基于水平集法，结合最优化准则，以刚度最大化为目标，计算得到微观拓扑晶格结构；S6、将微观拓扑晶格结构等间距点阵排列嵌入宏观拓扑结构的一定区域中，得到所需的多尺度优化的基板拓扑结构。按上述方案，所述的S1的几何模型还进行一定的简化，将激光能量简化为空间上呈高斯分布的体热源，先进行热分析，得到激光加热过程中基板上的温度分布，再将基板上的温度作为热边界载荷，进行热力耦合有限元分析。按上述方案，所述的S2基板的设计域在确定时，预留基板的固定位置和基板上部空间用于承载粉末的预留层，作为非设计域。按上述方案，所述的S3在进行热力耦合有限元分析时，进行网格无关化验证。按上述方案，所述的S4在建立宏观拓扑优化模型时，设计域内的材料填充率在[0,1]之间变化，填充率为0表示无材料，1表示实心材料；并设定一个阈值，低于此阈值设置为0，高于此阈值设置为1。按上述方案，所述的S5在晶格拓扑优化时，设置一个拉格朗日算子以防止优化结构陷入局部最优解。按上述方案，所述的S2中的工艺参数包括激光功率，激光速率，光斑直径激光扫描间距以及扫描方式。按上述方案，所述的S6在将微观拓扑晶格结构等间距点阵排列嵌入宏观拓扑结构时，加入制造工艺约束，以满足可制造性；宏观拓扑优化结构进行光顺，以得到连续的边界。按上述方案，本方法还包括S7、基于有限元法，使用S3的工艺参数进行计算，比较优化前后基板的变形，以验证基板刚度的优化。本专利技术还提供一种基板，采用所述的方法设计得到。本专利技术的有益效果为：考虑打印过程，结合宏观拓扑几何结构，将微观拓扑结构嵌入宏观拓扑结构，多尺度优化了基板的质量和体积，并能够改善基板的刚度，增强其在打印过程中抵抗变形以及破换的力学性能，从而延长使用寿命。附图说明图1为本专利技术一实施例的方法流程图。图2为宏观拓扑优化设计方法的流程图。图3为基板和打印件的几何模型图。图4为宏观拓扑优化结果图。图5为微观拓扑优化设计方法的流程图。图6为微观拓扑优化结果图。图7为多尺度拓扑优化结构图。图8为采用本专利技术方法拓扑优化后的基板性能图，其中（a）为优化前基板变形图，（b）为优化后基板变形图。图中：1-基板，2-打印件。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术提供一种多尺度优化增材制造基板的方法，如图1所示，本方法包括以下步骤：S1、建立基板和打印件的几何模型。几何模型根据实际应用场景进行了一定简化，将激光能量简化为空间上呈高斯分布的体热源，先进行热分析，得到激光加热过程中基板上的温度分布，再将基板上的温度作为热边界载荷，进行热力耦合有限元分析。S2、设定增材制造时的工艺参数，确定基板的设计域。基板的设计域在确定时，预留基板的固定位置和基板上部空间用于承载粉末的预留层，作为非设计域。预设定工艺参数包括激光功，激光速率，光斑直径，激光扫描间距以及激光扫描方式等。S3、设定基板和打印件的材料参数，再对基板和打印件进行网格划分，将基板和打印件结构离散为连续网格单元，以网格单元的密度作为设计变量，基于网格映射法，进行热力耦合有限元分析，计算得到打印过程中基板上的温度分布、应力分布和位移分布；计算完毕后进行网格无关化验证，以验证模型的准确性。S4、将计算得到的基板上的位移分布作为基板的位移边界条件，建立以结构刚度最大化为目标函数、并以体积限制阈值为约束条件的的宏观拓扑优化模型，并基于固体对同性材料惩罚模型，引入惩罚因子，进行迭代计算，得到宏观拓扑结构。在建立宏观拓扑优化模型时，设计域内的材料填充率在[0,1]之间变化，填充率为0表示无材料，1表示实心材料；并设定一个阈值，低于此阈值设置为0，高于此阈值设置为1。S5、进行晶格拓扑优化，将微观晶胞简化为二维结构，并将二维结构离散为网格单元，以网格单元密度为设计变量，基于水平集法，结合最优化准则，以刚度最大化为目标，计算得到微观拓扑晶格结构。在晶格拓扑优化时，设置一个拉格朗日算子以防止优化结构陷入局部最优解。并基于水平集法，抓取晶格结构迭代过程中的边界，获得清晰的拓扑边界，以提高可制造性。S6、考虑宏观拓扑结构的几何尺寸，将微观拓扑晶格结构等间距点阵排列嵌入宏观拓扑结构的一定区域中，得到所需的多尺度优化的基板拓扑结构。在将微观拓扑晶格结构等间距点阵排列嵌入宏观拓扑结构时，需要先对宏观拓扑优化结构进行光顺，以得到连续的边界，并加入制造工艺约束，以满足后续可制造性。可选的，本方法开可以包括S7、基于有限元法，使用S3的工艺参数计算基板的刚度，比较优化前后基板的变形，以验证基板刚度的优化。参考图1，一种面向增材制造基板的多尺度拓扑优化设计方法，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多尺度优化增材制造基板的方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：/nS1、建立基板和打印件的几何模型；/nS2、设定增材制造时的工艺参数，确定基板的设计域；/nS3、设定基板和打印件的材料参数，对基板和打印件进行网格划分，将基板和打印件结构离散为连续网格单元，以网格单元的密度作为设计变量，基于网格映射法，进行热力耦合有限元分析，计算得到打印过程中基板上的温度分布、应力分布和位移分布；/nS4、将计算得到的基板上的位移分布作为基板的位移边界条件，建立以结构刚度最大化为目标函数、并以体积限制阈值为约束条件的宏观拓扑优化模型，并基于固体对同性材料惩罚模型，引入惩罚因子，进行迭代计算，得到宏观拓扑结构；/nS5、进行晶格拓扑优化，将微观晶胞简化为二维结构，并将二维结构离散为网格单元，以网格单元密度为设计变量，基于水平集法，结合最优化准则，以刚度最大化为目标，计算得到微观拓扑晶格结构；/nS6、将微观拓扑晶格结构等间距点阵排列嵌入宏观拓扑结构的一定区域中，得到所需的多尺度优化的基板拓扑结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种多尺度优化增材制造基板的方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：
S1、建立基板和打印件的几何模型；
S2、设定增材制造时的工艺参数，确定基板的设计域；
S3、设定基板和打印件的材料参数，对基板和打印件进行网格划分，将基板和打印件结构离散为连续网格单元，以网格单元的密度作为设计变量，基于网格映射法，进行热力耦合有限元分析，计算得到打印过程中基板上的温度分布、应力分布和位移分布；
S4、将计算得到的基板上的位移分布作为基板的位移边界条件，建立以结构刚度最大化为目标函数、并以体积限制阈值为约束条件的宏观拓扑优化模型，并基于固体对同性材料惩罚模型，引入惩罚因子，进行迭代计算，得到宏观拓扑结构；
S5、进行晶格拓扑优化，将微观晶胞简化为二维结构，并将二维结构离散为网格单元，以网格单元密度为设计变量，基于水平集法，结合最优化准则，以刚度最大化为目标，计算得到微观拓扑晶格结构；
S6、将微观拓扑晶格结构等间距点阵排列嵌入宏观拓扑结构的一定区域中，得到所需的多尺度优化的基板拓扑结构。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的S1的几何模型还进行一定的简化，将激光能量简化为空间上呈高斯分布的体热源，先进行热分析，得到激光加热过程中基板上的温度分布，再将基板上的温度作为热边界载荷，进行热力耦合有限元分析。


3.根据权利要求1所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李辉，刘胜，申胜男，周剑涛，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42