【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及连续纤维增强复合材料3d打印，具体是一种基于拓扑优化和欧拉图的连续纤维路径规划方法。
技术介绍
1、连续纤维增强复合材料因其高比强度、高比模量、抗腐蚀性和抗疲劳性受到了研究和工业的广泛关注。连续纤维增强复合材料在航空航天、汽车制造和土木工程中有着广泛的应用。然而，传统的制造工艺，包括树脂传递模塑(rtm)、纤维缠绕(fw)、自动纤维/带放置(afp/atp)和真空装袋，需要特殊的模具和工具，这些模具和工具成本高、难以实现定制化方案，不适合小批量生产，限制阻碍了连续纤维增强复合材料创新应用潜力的进一步发展。连续纤维增强复合材料增材制造技术的创新为实现具有定制性能的复合材料轻质结构的集成设计和制造开辟了新的前景。先进的结构设计和增材制造技术相结合的一体化设计方案为生产轻质量、高性能的复杂形状结构提供可能，用以满足工程应用中的各种功能和机械要求。
2、对于连续纤维增强复合材料的3d打印，路径规划设计是实现从设计到制造的技术关键，目前针对连续纤维增强复合材料的3d打印工艺技术尚不完善，通过对现有的文献及专利发现，目前关于连续纤维打印路径规划的公开资料包括：基于构件结构特征分布连接点的连续纤维复合材料全域无断点3d打印路径规划方法(申请公布号：cn114013043a)；一种连续纤维增强复合材料3d打印路径规划方法(申请公布号：cn110001067a)；一种考虑强度的连续纤维增强3d打印路径规划方法(授权号：cn112776343a)。
3、专利cn114013043a基于离散后的结构特征，通过偏置
4、综上所述，目前的路径规划方法多采用栅格轮廓填充、轮廓偏置路径填充、混合路径填充等传统fdm工艺手段，未能充分考虑连续纤维增强复合材料的各向异性力学性能，在打印过程中难以保证纤维打印的连续性，打印过程需要多次断丝容易形成缺陷，使得最终打印结构的力学性能大打折扣。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中的不足，本专利技术供一种基于拓扑优化和欧拉图的连续纤维路径规划方法，基于拓扑优化设计确定拓扑结构和纤维取向，通过无向欧拉图的等效求解得到连续路径，可在考虑连续纤维各向异性力学性能的同时，形成不间断的连续纤维打印路径，提高打印结构性能和成型制造效率。
2、为实现上述目的，本专利技术提供一种基于拓扑优化和欧拉图的连续纤维路径规划方法，包括如下步骤：
3、步骤1，基于最大刚度拓扑优化数学模型求解有限元单元网格下的材料单元密度和纤维角度，得到宏观拓扑结构和局部纤维取向；
4、步骤2，基于所述宏观拓扑结构和所述局部纤维取向进行特征划分，将离散化的网格单元进行聚类得到连通的划分结构特征，并计算各所述划分结构特征的特征宽度；
5、步骤3，基于所述特征宽度以及各所述划分结构特征之间的连接关系，将各所述划分结构特征等效为无向欧拉图；
6、步骤4，基于等效的所述无效欧拉图进行连续路径求解，得到连续纤维路径规划结果。
7、在其中一个实施例，步骤1中，所述最大刚度拓扑优化数学模型具体为：
8、
9、
10、其中，c表示最小柔度值，c(x,θ)表示最小柔度值为关于材料单元密度和纤维角度的函数，u和f分别表示整体位移向量和整体载荷向量，t表示矩阵的转置，k表示整体刚度矩阵，ue和ke分别表示单元位移向量和单元刚度矩阵，xe和θe分别表示材料单元密度和纤维角度，vf表示连续纤维在复合材料内的体积分数，n表示有限元划分网格的数量，xmin表示最低密度，v(x)和v0分别表示设计结构体积和设计域初始体积，f表示设置的设计结构容许体积比。
11、在其中一个实施例，步骤2中，所述将离散化的网格单元进行聚类得到连通的划分结构特征具体为：
12、步骤201，基于各所述网格单元的材料单元密度和纤维角度得到网格参数向量，其中，ρ为对应所述网格单元的材料单元密度，θ为对应所述网格单元的纤维角度；
13、步骤202，对各所述网格单元的网格参数向量进行等参变换，得到参数向量
14、步骤203，预设聚类的簇中心个数k，并在参数空间初始化聚类的各簇中心的坐标cj；
15、步骤204，在参数空间内计算各个参数向量与每个簇中心的距离根据最小距离的规则将各个参数向量分配到最近的簇中心对应的簇，得到k个聚类簇，并计算所有参数向量到对应簇中心距离的求和n为聚类簇中参数向量的数量；
16、步骤205，判断k个聚类簇是否满足收敛准则：
17、若是，簇中心坐标及参数向量的聚类结果满足收敛至局部最优解，则输出聚类结果；
18、否则，将迭代更新k个聚类簇的中心进行再次聚类返回步骤204。
19、在其中一个实施例，步骤2中，所述划分结构特征的特征宽度计算过程为：
20、步骤211，计算划分结构特征的纤维角度，为：
21、
22、其中，θi表示划分结构特征的纤维角度，m表示划分结构特征中的网格单元个数，θei表示划分结构特征中第i个网格单元的纤维角度；
23、步骤212，基于划分结构特征的纤维角度，将划分结构特征中各网格单元的中心坐标由全局坐标系变换到局部坐标系，为：
24、
25、其中，(xei,yei)表示划分结构特征中第i个网格单元在全局坐标系下的中心坐标，(x'ei,y'ei)表示划分结构特征中第i个网格单元在局部坐标系下的中心坐标；
26、步骤213，基于划分结构特征中各网格单元在局部坐标系下的中心坐标，计算得到划分结构特征的平均中线，为：
27、yci＝ave(y′ei)
28、其中，yci表示划分结构特征的平均中线，ave(·)表示取平均；
29、步骤214，基于划分结构特征中各网格单元在局部坐标系下的中心坐标以及平均中线，计算得到划分结构特征的特征宽度，为：
30、
31、其中，wi表示划分结构特征的特征宽度，sign(·)表示符号函数。
32、在其中一个实施例，步骤3中，将各所述划分结构特征等效为无向欧拉图的过程具体为：
33、将划分结构特征的连通的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于拓扑优化和欧拉图的连续纤维路径规划方法，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和欧拉图的连续纤维路径规划方法，其特征在于，步骤1中，所述最大刚度拓扑优化数学模型具体为：
3.根据权利要求1所述的基于拓扑优化和欧拉图的连续纤维路径规划方法，其特征在于，步骤2中，所述将离散化的网格单元进行聚类得到连通的划分结构特征具体为：
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于拓扑优化和欧拉图的连续纤维路径规划方法，其特征在于，步骤2中，所述划分结构特征的特征宽度计算过程为：
5.根据权利要求1至3任一项所述的基于拓扑优化和欧拉图的连续纤维路径规划方法，其特征在于，步骤3中，将各所述划分结构特征等效为无向欧拉图的过程具体为：
6.根据权利要求1至3任一项所述的基于拓扑优化和欧拉图的连续纤维路径规划方法，其特征在于，步骤4中，所述基于等效的所述无效欧拉图进行连续路径求解，具体为：
【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑优化和欧拉图的连续纤维路径规划方法，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和欧拉图的连续纤维路径规划方法，其特征在于，步骤1中，所述最大刚度拓扑优化数学模型具体为：
3.根据权利要求1所述的基于拓扑优化和欧拉图的连续纤维路径规划方法，其特征在于，步骤2中，所述将离散化的网格单元进行聚类得到连通的划分结构特征具体为：
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁秀兵，孙兵，邢悦，李竞龙，王浩旭，何鹏飞，陈永雄，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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