功能梯度蜂窝建模与优化设计方法研究

发布时间：2017-10-11 04:32

  本文关键词：功能梯度蜂窝建模与优化设计方法研究

  更多相关文章： 增材制造 蜂窝结构 功能梯度结构 功能梯度材料 轻量化 生成设计 拓扑优化

【摘要】：在增材制造技术得到广泛重视和迅速发展的背景下,本文针对产品轻量化和复杂结构建模问题,以一种典型的多孔结构——蜂窝结构为对象,从结构和材料两个层面进行了轻量化优化设计与建模研究,提出了功能梯度结构蜂窝和功能梯度材料蜂窝(本文将其统一称为功能梯度蜂窝)。将生成设计与蜂窝结构建模、拓扑优化与功能梯度材料设计紧密结合,对于提高产品设计效率和产品性能、降低产品重量和成本,拓展增材制造技术的应用范围以及促进增材制造技术的普及甚至制造与设计思想的变革,具有重要的作用与研究意义。本文所做的主要工作如下:1、功能梯度结构蜂窝壁厚设计。提出了一种新型结构蜂窝——功能梯度结构(Functionally Graded Structure,FGS)蜂窝及其设计理念。通过对正六边形蜂窝的结构参数分析,得出了各蜂窝单元相对密度与孔壁长度、孔壁厚度、蜂窝孔径有关的结论。在此基础上,对变密度拓扑优化进行了改进,去掉了惩罚因子对中间密度的影响,然后提出了基于拓扑优化密度映射的FGS蜂窝壁厚设计方法。2、FGS蜂窝的生成式建模方法研究。以生成设计的思想研究了FGS蜂窝的建模过程,在切线构造法生成蜂窝结构平面主线的基础上,提出了蜂窝单元内边界数据的计算方法,利用UG二次开发进行了FGS蜂窝模型的生成。分析了在FDM工艺中出现的模型翘曲变形问题,并提出了解决方法。然后,用一个具体参数的FGS蜂窝说明了所提方法的应用过程,验证了其可行性,并用3D打印机打印出了所建FGS蜂窝的实体模型。3、FGS蜂窝抗弯刚度性能优化。分析了设计过程中关键因素(基圆半径和权重因子)对设计结果的影响,建立了响应面模型。在此基础上,利用多学科设计优化思想,将FGS蜂窝优化问题转换成了包含结构领域和力学领域的多学科优化问题,建立了多学科优化模型,搭建了协同优化框架进行了求解,得到了综合性能(体积和抗弯刚度)最优的FGS蜂窝。然后,以相同重量下的普通均匀结构蜂窝和本文中最优的FGS蜂窝为对象,通过在Ansys Workbench软件中有限元仿真,对两种结构的抗弯刚度进行了对比分析,验证了所提方法的有效性。4、FGM蜂窝的建模与材料分布优化。提出了从材料空间到几何空间映射的建模思想,首先定义材料空间,然后给定从材料空间到几何空间的映射函数,通过材料组分值和相应的映射函数,即可确定与给定材料组分值对应的几何空间。再利用插值算法,计算出其他部分的材料信息,最终实现模型几何信息和材料信息的整体表达,提高了数据表示的简洁性,并将此建模方法应用到FGM蜂窝单元的建模中,证明了所提方法的可行性和有效性。然后,为了得到材料在各FGM蜂窝单元的最优分布,在FGM性能参数分析的基础上,根据变密度法拓扑优化的思想,建立了FGM材料分布函数系数的优化模型。
【关键词】：增材制造 蜂窝结构 功能梯度结构 功能梯度材料 轻量化 生成设计 拓扑优化
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34;TB383.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景12-15
• 1.2 国内外研究概况15-19
• 1.2.1 多孔结构设计与建模方法研究15-17
• 1.2.2 FGM设计与建模方法研究17-19
• 1.3 课题来源与研究意义19
• 1.4 主要研究内容19-22
• 第二章 功能梯度结构蜂窝壁厚设计22-35
• 2.1 蜂窝结构参数分析22-24
• 2.2 变密度拓扑优化理论24-29
• 2.2.1 均匀化方法24-26
• 2.2.2 变密度法26-28
• 2.2.3 数值不稳定现象28-29
• 2.3 基于拓扑优化密度映射的FGS蜂窝壁厚计算方法29-33
• 2.3.1 蜂窝结构仿自然式生成建模方法29-31
• 2.3.2 蜂窝单元壁厚的计算31-33
• 2.4 小结33-35
• 第三章 功能梯度结构蜂窝生成式建模方法研究35-49
• 3.1 蜂窝结构平面主线生成35-38
• 3.2 FGS蜂窝单元内边界顶点坐标及拓扑关系的确定38-40
• 3.2.1 内边界顶点坐标的计算38-39
• 3.2.2 内边界顶点拓扑关系的确定39-40
• 3.3 基于UG二次开发的FGS蜂窝建模40-45
• 3.3.1 UG二次开发介绍40-41
• 3.3.2 FGS蜂窝生成式建模41-45
• 3.4 蜂窝模型的 3D打印45-48
• 3.4.1 熔融沉积成型工艺介绍45-46
• 3.4.2 模型翘曲变形问题分析及解决方法46-48
• 3.5 小结48-49
• 第四章 功能梯度结构蜂窝抗弯刚度性能优化49-64
• 4.1 问题分析49-50
• 4.2 多学科设计优化技术50-51
• 4.3 优化模型51-53
• 4.4 基于代理模型技术的优化模型求解53-59
• 4.4.1 参数设计空间的确定53-54
• 4.4.2 实验设计（DOE）54-55
• 4.4.3 有限元分析55-57
• 4.4.4 归一化处理57-58
• 4.4.5 模型求解58-59
• 4.5 有限元分析验证59-63
• 4.6 小结63-64
• 第五章 功能梯度材料蜂窝建模与材料分布优化64-75
• 5.1 FGM建模的数据表示64-68
• 5.2 从材料空间到几何空间映射的FGM建模68-70
• 5.3 FGM蜂窝的建模70-72
• 5.4 FGM蜂窝材料分布的优化72-74
• 5.4.1 功能梯度材料性能参数分析72-73
• 5.4.2 FGM蜂窝材料分布函数系数的优化73-74
• 5.5 小结74-75
• 第六章 总结与展望75-78
• 6.1 总结75-76
• 6.2 展望76-78
• 参考文献78-83
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单83-84
• 致谢84

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本文编号：1010504