一种卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法及系统，方法包括：获取预设工况条件下第一组件结构和/或第二组件结构的三维实体模型以及材料力学参数；对三维实体模型进行接口处均为卯榫结构联锁的拆解分割，得到拆解模型；基于固体各向同性材料惩罚模型对拆解模型进行拓扑优化，以得到优化后的第一组件结构和/或第二组件结构；判断优化后的第一组件结构和/或第二组件结构是否通过预设的力学性能检验；对优化后的第一组件结构和/或组件第二结构进行实际加工检验；确定优化后的第一组件结构和/或组件第二结构为目标结构。本发明专利技术可以将一个实体模型经拓扑优化和计算分析转化为镂空模型，实现轻量化，高效化，节能化的工程要求。

【技术实现步骤摘要】
一种卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法及系统
本专利技术涉及结构拓扑优化领域，尤其涉及一种卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法及系统。
技术介绍
在当今的许多实际工程问题中，很难避免一些体积较大，包含许多子构件的承力构件，而焊接和铆接则是应用最广的子构件连接方式：焊接，也称作熔接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术；铆接即铆钉连接，是一个机械词汇，是利用轴向力将零件铆钉孔内钉杆墩粗并形成钉头，使多个零件相连接的方法。然而，焊接这种连接方式，虽然方便且具有较好的密封性，却很容易在一些工况中产生较大的应力集中，存在较大的焊接残余预应力和变形，同时也存在产生焊接缺陷的可能性，和接头性能不均匀、易断裂等弊端，严重的还可能导致工程事故；而铆接本身的适用范围就相对较小，很难完成大截面配合的连接，虽然成本和技术要求比较友好。并且，一些大型的工程结构存在体型过于笨重的问题，而导致了工作中的能源浪费以及材料的冗余，急需对工程结构进行考虑连接的轻量化设计。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法，能够在对模型通过类似卯榫联接的接口设计之后，再基于拓扑优化的结构设计，按照预设要求使模型减重，且维持在原本的工况下，构件强度要求和功能要求不受影响。可以将一个实体模型经拓扑优化和计算分析转化为镂空模型，从而实现轻量化，高效化，节能化的工程要求。第一方面，本专利技术实施例提供一种卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法，所述卯榫互锁连接的多组件结构包括第一组件结构与第二组件结构，所述第一组件结构与所述第二组件结构通过卯榫互锁连接，所述方法包括以下步骤：获取预设工况条件下所述第一组件结构和/或第二组件结构的三维实体模型以及材料力学参数；基于计算机图形学算法对所述三维实体模型进行接口处均为卯榫结构联锁的拆解分割，得到拆解模型；基于固体各向同性材料惩罚模型对所述拆解模型进行拓扑优化，以得到优化后的第一组件结构和/或第二组件结构；根据所述预设工况条件对所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构进行工况模拟，以判断所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构是否通过预设的力学性能检验；若所述优化后的卯榫结构通过预设的力学性能检验，则对所述优化后的第一组件结构和/或组件第二结构进行实际加工检验；若所述优化后的第一组件结构和/或组件第二结构通过所述实际加工检验，则确定所述优化后的第一组件结构和/或组件第二结构为目标结构。可选的，所述基于计算机图形学算法对所述三维实体模型进行接口处均为卯榫结构联锁的拆解分割，得到拆解模型的步骤包括：选取所述三维实体模型的切割点；根据所述切割点对所述三维实体模型进行任意角度平面切割，得到所述第一组件结构和/或组件第二结构对应的切割块；对所述切割块进行卯榫连接，得到所述拆解模型。可选的，所述基于固体各向同性材料惩罚模型对所述拆解模型进行拓扑优化，以得到优化后的第一组件结构和/或组件第二结构的步骤包括：基于固体各向同性材料惩罚模型，以已进行有限元力分析的拆解模型部分为设计域建立离散化优化模型，所述离散化优化模型以获得最小柔度或最大刚度作为优化目标，以体积因数作为约束条件，所述拆解模型部分为保留卯榫连接不被破坏的模型部分；对所述离散化优化模型进行迭代求解，得到优化后的第一组件结构和/或组件第二结构，所述优化后的第一组件结构和/或组件第二结构包括优化的材料分布方式。可选的，所述对所述离散化优化模型进行迭代求解，得到优化后的第一组件结构和/或组件第二结构的步骤包括：对所述离散化优化模型进行迭代求解，得到优化后的材料分布方式；通过灵敏度和密度过滤器以及投影方法对所述优化后的材料分布方式进行后处理以获得优化后的卯榫结构。可选的，所述根据所述预设工况条件对所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构进行工况模拟，以判断所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构是否通过预设的力学性能检验的步骤包括：根据所述预设工况条件构建计算机模拟工况；通过有限元分析，检验所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构在所述计算机模拟工况下是否满足预设的力学性能检验。可选的，所述基于固体各向同性材料惩罚模型以及所述拆解模型的内应力和应变数据的初始值，以已进行有限元力分析的拆解模型部分为设计域建立离散化优化模型的步骤包括：根据所述设计域中每个体素分配一个布尔值ρe，其中，ρe∈{0,1}；根据所述体素e的周围体素集合以及周围体素的布尔值ρi，获取体素e的布尔值和材料分布以及外力矢量f作用下的静力弹性方程Ku＝f为约束条件，以最小柔度或最大刚度作为优化目标，构建得到离散化优化模型。可选的，所述方法还包括：根据各个体素质心以及预设的影响半径，确定所述体素e的周围体素集合。可选的，所述通过灵敏度和密度过滤器以及投影方法对所述优化后的材料分布方式进行后处理以获得优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的步骤具体包括：根据预设的约束半径以及加权因子，构建灵敏度和密度过滤器；通过所述灵敏度和密度过滤器对所述优化后的材料分布方式进行过滤，得到过滤结果；将所述过滤结果进行二值化投影，得到投影模型，根据所述投影模型确定优化后的第一组件结构和/或第二组件结构。可选的，所述对所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构进行实际加工检验的步骤包括：将所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构进行3D打印，得到3D打印模型；对所述3D打印模型进行实际加工检验，得到所述3D打印模型测试结果作为所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的测试结果。第二方面，本专利技术实施例还提供一种卯榫结构的优化系统，所述卯榫互锁连接的多组件结构包括第一组件结构与第二组件结构，所述第一组件结构与所述第二组件结构通过卯榫互锁连接，所述系统包括：获取模块，用于获取预设工况条件下所述第一组件结构和/或第二组件结构的的三维实体模型以及材料力学参数；分割模块，用于基于计算机图形学算法对所述三维实体模型进行接口处均为卯榫结构联锁的拆解分割，得到拆解模型；优化模块，用于基于固体各向同性材料惩罚模型对所述拆解模型进行拓扑优化，以得到优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的；模拟检验模块，用于根据所述预设工况条件对所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的进行工况模拟，以判断所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的是否通过预设的力学性能检验；实际加工检验模块，用于若所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的通过预设的力学性能检验，则对所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的进行实际加工检验；确定模块，用于若所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的通过所述实际加工检验，则确定所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的为目标结构。本专利技术实施例中，获取预设工况条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法，其特征在于，所述卯榫互锁连接的多组件结构包括第一组件结构与第二组件结构，所述第一组件结构与所述第二组件结构通过卯榫互锁连接，所述方法包括以下步骤：/n获取预设工况条件下所述第一组件结构和/或第二组件结构的三维实体模型以及材料力学参数；/n基于计算机图形学算法对所述三维实体模型进行接口处均为卯榫结构联锁的拆解分割，得到拆解模型；/n基于固体各向同性材料惩罚模型对所述拆解模型进行拓扑优化，以得到优化后的第一组件结构和/或第二组件结构；/n根据所述预设工况条件对所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构进行工况模拟，以判断所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构是否通过预设的力学性能检验；/n若所述优化后的卯榫结构通过预设的力学性能检验，则对所述优化后的第一组件结构和/或组件第二结构进行实际加工检验；/n若所述优化后的第一组件结构和/或组件第二结构通过所述实际加工检验，则确定所述优化后的第一组件结构和/或组件第二结构为目标结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法，其特征在于，所述卯榫互锁连接的多组件结构包括第一组件结构与第二组件结构，所述第一组件结构与所述第二组件结构通过卯榫互锁连接，所述方法包括以下步骤：
获取预设工况条件下所述第一组件结构和/或第二组件结构的三维实体模型以及材料力学参数；
基于计算机图形学算法对所述三维实体模型进行接口处均为卯榫结构联锁的拆解分割，得到拆解模型；
基于固体各向同性材料惩罚模型对所述拆解模型进行拓扑优化，以得到优化后的第一组件结构和/或第二组件结构；
根据所述预设工况条件对所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构进行工况模拟，以判断所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构是否通过预设的力学性能检验；
若所述优化后的卯榫结构通过预设的力学性能检验，则对所述优化后的第一组件结构和/或组件第二结构进行实际加工检验；
若所述优化后的第一组件结构和/或组件第二结构通过所述实际加工检验，则确定所述优化后的第一组件结构和/或组件第二结构为目标结构。


2.如权利要求1所述的卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法，其特征在于，所述基于计算机图形学算法对所述三维实体模型进行接口处均为卯榫结构联锁的拆解分割，得到拆解模型的步骤包括：
选取所述三维实体模型的切割点；
根据所述切割点对所述三维实体模型进行任意角度平面切割，得到所述第一组件结构和/或组件第二结构对应的切割块；
对所述切割块进行卯榫连接，得到所述拆解模型。


3.如权利要求2所述的卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法，其特征在于，所述基于固体各向同性材料惩罚模型对所述拆解模型进行拓扑优化，以得到优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的步骤包括：
基于固体各向同性材料惩罚模型，以已进行有限元力分析的拆解模型部分为设计域建立离散化优化模型，所述离散化优化模型以获得最小柔度或最大刚度作为优化目标，以体积因数作为约束条件，所述拆解模型部分为保留卯榫连接不被破坏的模型部分；
对所述离散化优化模型进行迭代求解，得到优化后的第一组件结构和/或第二组件结构，所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构包括优化的材料分布方式。


4.如权利要求3所述的卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法，其特征在于，对所述离散化优化模型进行迭代求解，得到优化后的第一组件结构和/或第二组件结构的步骤包括：
对所述离散化优化模型进行迭代求解，得到优化后的材料分布方式；
通过灵敏度和密度过滤器以及投影方法对所述优化后的材料分布方式进行后处理以获得优化后的第一组件结构和/或第二组件结构。


5.如权利要求4所述的卯榫互锁连接的多组件结构拓扑优化方法，其特征在于，所述根据所述预设工况条件对所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构进行工况模拟，以判断所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构是否通过预设的力学性能检验的步骤包括：
根据所述预设工况条件构建计算机模拟工况；
通过有限元分析，检验所述优化后的第一组件结构和/或第二组件结构在所述计算机模拟工况下是...

【专利技术属性】
技术研发人员：易兵，宋永锋，郑皓文，尹文成，郭明洁，谢佳豪，许虹蕾，孙韧凯，张莹，钟燕军，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43