本文關(guān)鍵詞： 增材制造 拓撲優(yōu)化 精細化設計 保特征過濾 自適應擬合 支撐結(jié)構(gòu)　出處：《大連理工大學》2016年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：新材料新結(jié)構(gòu)的研發(fā)需要先進的設計方法和先進的制造工藝的結(jié)合。作為先進的設計方法,拓撲優(yōu)化方法有廣闊的設計空間,為工程師提供有創(chuàng)造性的概念設計方案。先進的增材制造技術(shù)因其“生長”成型的制造原理,具有對復雜結(jié)構(gòu)的強大制造能力。拓撲優(yōu)化設計方法和增材制造技術(shù)的結(jié)合,既能發(fā)揮出兩者優(yōu)勢,又能互相彌補兩者存在的問題。實現(xiàn)兩者的結(jié)合需要解決諸多問題,例如：如何將拓撲優(yōu)化結(jié)果模型化,以實現(xiàn)增材制造；拓撲優(yōu)化給出了最優(yōu)構(gòu)型,通過形狀和尺寸優(yōu)化可進一步提高結(jié)構(gòu)性能。因此,如何實現(xiàn)基于拓撲優(yōu)化結(jié)果的考慮可制造性的精細化設計成為重要問題；由于增材制造的逐步生長特點,制造過程中需要支撐結(jié)構(gòu),如何設計支撐結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)殘余應力與殘余變形的最小化是提高制造質(zhì)量的關(guān)鍵。針對這些需求,本文研究了面向增材制造的拓撲優(yōu)化結(jié)果精細化設計方法,具體研究內(nèi)容和成果如下：(1)面向增材制造的拓撲優(yōu)化結(jié)果模型化新方法。拓撲優(yōu)化和增材制造的結(jié)合需要將拓撲優(yōu)化結(jié)果轉(zhuǎn)成CAD模型,借鑒圖像學算法,提取拓撲優(yōu)化結(jié)果骨骼并利用骨骼內(nèi)切圓尋找薄弱特征,結(jié)合過濾手段,快速地將拓撲優(yōu)化結(jié)果轉(zhuǎn)換為可直接打印的模型(STL文件)。為實現(xiàn)模型進一步處理(如形狀優(yōu)化等),基于拓撲優(yōu)化結(jié)果的幾何特征,利用最少的控制點B樣條曲線擬合拓撲優(yōu)化結(jié)果,并將B樣條轉(zhuǎn)化成可編輯、邊界光滑的CAD模型(IGES文件)。數(shù)值算例證明：滿足增材制造的最小尺寸約束,得到邊界光滑且保留主要特征的STL模型；較均勻擬合方法,自適應擬合的IGES模型的控制點數(shù)目減少顯著。(2)面向增材制造的拓撲優(yōu)化結(jié)果精細化設計。針對擬合拓撲優(yōu)化結(jié)果得到的CAD模型細節(jié)特征不準確的問題,研究了拓撲優(yōu)化結(jié)果精細化設計方法。建立以邊界NURBS曲線控制點坐標為設計變量,以結(jié)構(gòu)柔順性最小為目標,考慮線性材料屬性和非線性材料屬性的優(yōu)化模型,并采用多島遺傳算法求解優(yōu)化問題。數(shù)值算例證明：精細化設計可以顯著減少應力集中現(xiàn)象和提高結(jié)構(gòu)整體的剛度,得到性能更優(yōu)的CAD模型。(3)基于瞬態(tài)熱力耦合拓撲優(yōu)化的支撐結(jié)構(gòu)設計。針對增材制造進程產(chǎn)生的熱量造成較大熱變形的問題,建立了熱載荷位置隨時間變化、以體積為約束、以被支撐區(qū)域位移平方和最小為目標的熱力耦合優(yōu)化模型。該模型的目標函數(shù)敏度由伴隨向量法求解,并與差分敏度對比驗證敏度求解正確性。設計結(jié)果表明：優(yōu)化得到的支撐構(gòu)型既可傳導熱量,又可約束被支撐域熱變形。設計結(jié)果驗證了方法有效性。
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【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH122

【參考文獻】

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本文編號：1520000