考虑瞬态热力耦合效应的增材制造支撑结构拓扑优化设计
发布时间：2022-02-19 09:08
增材制造（Addictive Manufacturing）通过材料层层累积的方式能够实现复杂结构的制备。然而,此工艺过程通常需要添加支撑结构,以避免大悬挑部位在制造工程中出现坍塌。此外,增材制造过程中热量的大量汇入会产生较大的温度梯度,引发严重的翘曲变形和残余应力,需要合理添加支撑结构以限制翘曲、增强热扩散减少温度梯度。现有增材制造技术生成的支撑结构通常处于材料过度添加状态,对支撑合理设计从而降低制造成本成了关键问题。引入先进拓扑优化技术设计出结构性能优异且能够被制造的支撑结构也是主要技术难点。本文将针对支撑结构设计问题,考虑增材制造过程中的热力耦合瞬态效应影响,研究建立考虑瞬态效应的热力耦合结构拓扑优化设计的理论和方法;以此为基础,实现基于考虑热力耦合瞬态效应的结构拓扑优化方法的支撑结构宏观构型设计、面向增材制造的点阵材料支撑结构材料微结构构型设计,实现结构件的热变形和热应力缓和。具体研究内容及成果如下:（1）考虑瞬态效应的热力耦合结构拓扑优化方法。增材制造成形过程中结构经历严重的强热力耦合作用、瞬态效应。支撑结构构型设计必须考虑热力耦合环境和瞬态效应的影响。本文首先研究支撑结构的构...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 面向增材制造的拓扑优化问题研究
1.3 热力学问题研究进展
1.4 增材制造研究现状
1.4.1 增材制造外加支撑研究现状
1.4.2 增材制造自支撑研究现状
1.5 本文主要工作
2 考虑瞬态效应的热力耦合结构拓扑优化方法
2.1 引言
2.2 热力耦合问题研究方法
2.2.1 控制方程
2.2.2 优化列式
2.2.3 敏度分析
2.3 考虑瞬态效应的热力耦合结构拓扑优化方法实现流程及示意图
2.4 数值算例
2.4.1 算例1:考虑四角点固定的四点热源结构优化
2.4.2 算例2:考虑四角点固定的中心点热源结构优化
2.4.3 算例3:考虑对流边界条件的四点热源结构优化
2.5 小结
3 考虑瞬态效应的热力耦合支撑结构宏观构型优化设计
3.1 引言
3.2 考虑瞬态效应的热力耦合支撑结构问题
3.2.1 等效问题模型
3.2.2 优化列式
3.2.3 敏度分析
3.3 支撑结构防翘曲变形的优化设计方法
3.3.1 单层打印状态支撑结构防翘曲变形的优化设计
3.3.2 往返打印状态下支撑结构防翘曲变形的优化设计
3.3.3 被支撑件为凹凸表面下支撑结构防翘曲变形的结构优化设计
3.3.4 支撑域含孔洞时支撑结构防翘曲变形的结构优化设计
3.4 支撑结构性能分析
3.4.1 分析方法
3.4.2 ANSYS建模过程
3.4.3 单层打印支撑优化结构仿真分析
3.4.4 往返打印支撑优化结构仿真分析
3.5 小结
4 面向增材制造的点阵材料支撑结构的微结构构型优化设计方法
4.1 引言
4.2 微单胞构建方法
4.3 微结构各参数等效方法
4.3.1 周期性单胞的热传导系数等效方法
4.3.2 周期性单胞的弹性模量等效方法
4.3.3 周期性单胞的热膨胀系数等效方法
4.3.4 微单胞等效参数值
4.4 点阵材料支撑结构建立方法
4.4.1 计算流程
4.4.2 点阵材料支撑结构优化设计
4.5 小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Novel implementation of homogenization method to predict effective properties of periodic materials[J]. Geng-Dong Cheng,Yuan-Wu Cai,Liang Xu. Acta Mechanica Sinica. 2013(04)
[2]快速成型技术研究现状与发展[J]. 刘昌云. 铸造技术. 2012(06)
[3]钛合金激光直接成形过程中热力耦合场的数值模拟[J]. 孔源,刘伟军,王越超,卞宏友,赵宇辉. 机械工程学报. 2011(24)
[4]TiAl合金表面激光重熔等离子喷涂MCrAlY涂层热力耦合有限元分析[J]. 王东生,田宗军,沈理达,刘志东,邱明波,黄因慧. 应用激光. 2008(02)
[5]激光熔覆过程热力耦合有限元应力场分析[J]. 郝南海,陆伟,左铁钏. 中国表面工程. 2005(01)
[6]光固化快速成型中零件非水平下表面的支撑设计规则研究[J]. 洪军,唐一平,卢秉恒,武殿梁. 机械工程学报. 2004(08)
博士论文
[1]铝热挤压模具热力耦合数值分析与结构优化设计研究[D]. 倪正顺.中南大学 2006
硕士论文
[1]增材制造结构热变形缓和优化与考虑尺寸约束的构型设计[D]. 白伟.大连理工大学 2016
本文编号：3632624
【文章来源】：大连理工大学辽宁省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 面向增材制造的拓扑优化问题研究
1.3 热力学问题研究进展
1.4 增材制造研究现状
1.4.1 增材制造外加支撑研究现状
1.4.2 增材制造自支撑研究现状
1.5 本文主要工作
2 考虑瞬态效应的热力耦合结构拓扑优化方法
2.1 引言
2.2 热力耦合问题研究方法
2.2.1 控制方程
2.2.2 优化列式
2.2.3 敏度分析
2.3 考虑瞬态效应的热力耦合结构拓扑优化方法实现流程及示意图
2.4 数值算例
2.4.1 算例1:考虑四角点固定的四点热源结构优化
2.4.2 算例2:考虑四角点固定的中心点热源结构优化
2.4.3 算例3:考虑对流边界条件的四点热源结构优化
2.5 小结
3 考虑瞬态效应的热力耦合支撑结构宏观构型优化设计
3.1 引言
3.2 考虑瞬态效应的热力耦合支撑结构问题
3.2.1 等效问题模型
3.2.2 优化列式
3.2.3 敏度分析
3.3 支撑结构防翘曲变形的优化设计方法
3.3.1 单层打印状态支撑结构防翘曲变形的优化设计
3.3.2 往返打印状态下支撑结构防翘曲变形的优化设计
3.3.3 被支撑件为凹凸表面下支撑结构防翘曲变形的结构优化设计
3.3.4 支撑域含孔洞时支撑结构防翘曲变形的结构优化设计
3.4 支撑结构性能分析
3.4.1 分析方法
3.4.2 ANSYS建模过程
3.4.3 单层打印支撑优化结构仿真分析
3.4.4 往返打印支撑优化结构仿真分析
3.5 小结
4 面向增材制造的点阵材料支撑结构的微结构构型优化设计方法
4.1 引言
4.2 微单胞构建方法
4.3 微结构各参数等效方法
4.3.1 周期性单胞的热传导系数等效方法
4.3.2 周期性单胞的弹性模量等效方法
4.3.3 周期性单胞的热膨胀系数等效方法
4.3.4 微单胞等效参数值
4.4 点阵材料支撑结构建立方法
4.4.1 计算流程
4.4.2 点阵材料支撑结构优化设计
4.5 小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Novel implementation of homogenization method to predict effective properties of periodic materials[J]. Geng-Dong Cheng,Yuan-Wu Cai,Liang Xu. Acta Mechanica Sinica. 2013(04)
[2]快速成型技术研究现状与发展[J]. 刘昌云. 铸造技术. 2012(06)
[3]钛合金激光直接成形过程中热力耦合场的数值模拟[J]. 孔源,刘伟军,王越超,卞宏友,赵宇辉. 机械工程学报. 2011(24)
[4]TiAl合金表面激光重熔等离子喷涂MCrAlY涂层热力耦合有限元分析[J]. 王东生,田宗军,沈理达,刘志东,邱明波,黄因慧. 应用激光. 2008(02)
[5]激光熔覆过程热力耦合有限元应力场分析[J]. 郝南海,陆伟,左铁钏. 中国表面工程. 2005(01)
[6]光固化快速成型中零件非水平下表面的支撑设计规则研究[J]. 洪军,唐一平,卢秉恒,武殿梁. 机械工程学报. 2004(08)
博士论文
[1]铝热挤压模具热力耦合数值分析与结构优化设计研究[D]. 倪正顺.中南大学 2006
硕士论文
[1]增材制造结构热变形缓和优化与考虑尺寸约束的构型设计[D]. 白伟.大连理工大学 2016
本文编号：3632624
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/ruanjiangongchenglunwen/3632624.html
