本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于球單元的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

增材制造，也叫3D打印，原理是將三維的實(shí)體的數(shù)字模型(CAD文件)離散化成切片模型，再將切片模型轉(zhuǎn)化為打印頭的行走軌跡，通過打印頭將材料不斷添加到打印件上去，這樣材料就按照打印軌跡不斷地被添加，逐層打印起來，就形成了最終的實(shí)體打印件。與傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造技術(shù)”不同，3D打印遵從的是加法原則，可以直接將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為模型，直接制造零件或產(chǎn)品，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床；同時(shí)直接將虛擬的數(shù)字化實(shí)體模型轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，極大地簡化了生產(chǎn)的流程，降低了材料的生產(chǎn)成本，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)周期，使得生產(chǎn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件成為可能，也是實(shí)現(xiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段。

3D打印耗材包括：塑料、橡膠、金屬、粉末、尼龍、薄膜、樹脂、石蠟、石膏、尼龍絲、鈦合金、陶瓷等不同材料。3D打印技術(shù)將使得商品的生產(chǎn)制造進(jìn)入全新的階段，生產(chǎn)的組織方式也會更加扁平化，而它潛在的對生產(chǎn)的巨大解放，能夠極大提高我們社會生產(chǎn)效率。

球具有優(yōu)良的力學(xué)性能，數(shù)學(xué)表達(dá)精簡，其結(jié)構(gòu)的特殊性，可以將應(yīng)力集中處的極高應(yīng)力通過球與球間的接觸分散。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于球單元的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立部件的三維實(shí)體模型，對其在設(shè)計(jì)要求的工況下進(jìn)行有限元分析，得出部件的應(yīng)力分布等與力學(xué)性能相關(guān)的參數(shù)；

(2)對步驟(1)獲得的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、歸納整理，得到系統(tǒng)性、綜合性的力學(xué)問題和優(yōu)化導(dǎo)向，形成設(shè)計(jì)目標(biāo)；

(3)根據(jù)步驟(2)中形成的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行基于球單元的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合適的球單元設(shè)計(jì)自由度，設(shè)計(jì)出亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；

(4)對步驟(3)中設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析和相關(guān)測試驗(yàn)證部件是否滿足設(shè)計(jì)需求。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述球單元包括球、由球衍生出的球殼、表面含孔洞的球殼以及球的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，球單元設(shè)計(jì)自由度包括單元種類和分布特征，單元種類包括實(shí)體球、表面打孔的球殼，分布特征包括球單元三維坐標(biāo)數(shù)學(xué)參數(shù)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述步驟(1)中，根據(jù)部件的應(yīng)力強(qiáng)度要求填充球單元或球單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過在合理的位置填充合理半徑大小的實(shí)心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立球心的三維位置、球心半徑的結(jié)構(gòu)矩陣，設(shè)計(jì)相應(yīng)的增材制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)算法，利用有限元分析，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后采用合適的材料，基于3D打印技術(shù)加工制造出符合應(yīng)力強(qiáng)度的要求的部件。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述步驟(4)中，包括如下步驟：

(41)通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)測試3D打印出的產(chǎn)品的基本物理機(jī)械性能；

(42)按照部件在實(shí)際工作中的工況搭建微縮的試驗(yàn)平臺，從零逐漸增加載荷，在試驗(yàn)平臺上對產(chǎn)品進(jìn)行加載試驗(yàn)，采用電阻應(yīng)變片法測試不同載荷條件下部件的變形分布以及變形量變化情況；

(43)將步驟(41)中測量的部件的基本物理機(jī)械性能以及基本物理機(jī)械性能種類與步驟(42)中的不同載荷條件作為基本輸入值，采用有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品的受力模擬分析；將模擬的變量分析結(jié)果與步驟(42)中實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對照，符合度大于90％則進(jìn)行下一步，否則返回到(43)調(diào)整基本物理機(jī)械性能種類及載荷條件，再次進(jìn)行模擬分析，直到理論和試驗(yàn)符合度達(dá)到要求；

(44)將步驟(43)中調(diào)整好的載荷條件、基本物理機(jī)械性能種類和(41)中的材料基本物理機(jī)械性能作為輸入?yún)?shù)，采用有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出產(chǎn)品的強(qiáng)度，即可推演出相應(yīng)產(chǎn)品在實(shí)際工況下不會變形過大而失效，能夠承受得住相應(yīng)的載荷。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述步驟(41)中，基本物理機(jī)械性能包括：抗拉強(qiáng)度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強(qiáng)度、切線模量和密度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(42)、(43)、(44)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點(diǎn)和力的分布情況。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，將改進(jìn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立相應(yīng)的球心的三維位置、球心半徑的結(jié)構(gòu)矩陣，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)算法，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行量化生產(chǎn)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法應(yīng)對了現(xiàn)有材料制造的產(chǎn)品難以滿足設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)狀，能制造出重量輕、強(qiáng)度大的部件，結(jié)合增材制造技術(shù)，可以大大提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法框圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開了一種基于球單元的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立部件的三維實(shí)體模型，對其在設(shè)計(jì)要求的工況下進(jìn)行有限元等分析，得出部件的應(yīng)力分布等與力學(xué)性能相關(guān)的參數(shù)；

(2)對步驟(1)獲得的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、歸納整理，得到系統(tǒng)性、綜合性的力學(xué)問題和優(yōu)化導(dǎo)向，形成設(shè)計(jì)目標(biāo)；

(3)根據(jù)步驟(2)中形成的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行基于球單元的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合適的球單元設(shè)計(jì)自由度，設(shè)計(jì)出亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；

(4)對步驟(3)中設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析和相關(guān)測試驗(yàn)證部件是否滿足設(shè)計(jì)需求。

所述球單元包括球、由球衍生出的球殼、表面含孔洞的球殼以及球的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等多種幾何體。

球單元設(shè)計(jì)自由度包括單元種類和分布特征，單元種類包括但不限于實(shí)體球、表面打孔的球殼等，分布特征包括但不限于球單元三維坐標(biāo)數(shù)學(xué)參數(shù)等。

在所述步驟(1)中，根據(jù)部件的應(yīng)力強(qiáng)度要求填充球單元或球單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，通過在合理的位置填充合理半徑大小的實(shí)心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等球單元，建立球心的三維位置、球心半徑的結(jié)構(gòu)矩陣，設(shè)計(jì)相應(yīng)的增材制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)算法，利用有限元分析，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后采用合適的材料，基于3D打印技術(shù)加工制造出符合應(yīng)力強(qiáng)度的要求的部件。

在所述步驟(4)中，包括如下步驟：

(41)通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)測試3D打印出的產(chǎn)品的基本物理機(jī)械性能；

(42)按照部件在實(shí)際工作中的工況搭建微縮的試驗(yàn)平臺，從零逐漸增加載荷，在試驗(yàn)平臺上對產(chǎn)品進(jìn)行加載試驗(yàn)，采用電阻應(yīng)變片法測試不同載荷條件下部件的變形分布以及變形量變化情況；

(43)將步驟(41)中測量的部件的基本物理機(jī)械性能以及基本物理機(jī)械性能種類與步驟(42)中的不同載荷條件作為基本輸入值，采用有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品的受力模擬分析；將模擬的變量分析結(jié)果與步驟(42)中實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對照，符合度大于90％則進(jìn)行下一步，否則返回到(43)調(diào)整基本物理機(jī)械性能種類及載荷條件，再次進(jìn)行模擬分析，直到理論和試驗(yàn)符合度達(dá)到要求；

(44)將步驟(43)中調(diào)整好的載荷條件、基本物理機(jī)械性能種類和(41)中的材料基本物理機(jī)械性能作為輸入?yún)?shù)，采用有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出產(chǎn)品的強(qiáng)度，即可推演出相應(yīng)產(chǎn)品在實(shí)際工況下不會變形過大而失效，能夠承受得住相應(yīng)的載荷。

在所述步驟(41)中，基本物理機(jī)械性能包括：抗拉強(qiáng)度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強(qiáng)度、切線模量和密度。

步驟(42)、(43)、(44)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點(diǎn)和力的分布情況。

將改進(jìn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立相應(yīng)的球心的三維位置、球心半徑的結(jié)構(gòu)矩陣，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)算法，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行量化生產(chǎn)。

球單元：以球面幾何為特征的有限元單元。

本發(fā)明還包括建立在可持續(xù)補(bǔ)充的，以球面為特征的，包含各種不同幾何，數(shù)量的球面孔洞和其它幾何變數(shù)，以及由不同材料組成的球單元數(shù)據(jù)庫。

本發(fā)明基于球單元的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法包括建立在球單元結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，通過在確定外形的部件實(shí)體內(nèi)部設(shè)計(jì)球單元多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改善部件的力學(xué)性能并可以根據(jù)需求增加特殊的物理特性。

本發(fā)明的亞表面是指在幾何外形固定部件的內(nèi)部空間。使用的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是基于上述定義的球單元的結(jié)構(gòu)。

改善的力學(xué)性能和物理特性包括但不限于應(yīng)力分布、比剛度、比強(qiáng)度和傳熱特性等。

本發(fā)明通過設(shè)計(jì)合適的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提升部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗壓抗磨損性能等力學(xué)性能和增加傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所沒有的超阻尼等物理特性，實(shí)現(xiàn)在不改變結(jié)構(gòu)外形條件下能根據(jù)結(jié)構(gòu)使用要求改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度分布、載荷路徑、阻尼分布、失效分布、模態(tài)分布、傳熱分布、壽命分布等機(jī)械性能。具體在于利用球、由球衍生出的球殼、表面含孔洞的球殼以及球的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等多種球單元幾何體的合理組合，通過改變球單元的種類、分布規(guī)律和連接關(guān)系等參數(shù)，在確定外形的部件中設(shè)計(jì)出以球單元為基礎(chǔ)的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到提升部件的力學(xué)性能和物理特性的目的。本發(fā)明的設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)對了現(xiàn)有材料制造的產(chǎn)品難以滿足設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)狀，能制造出重量輕、強(qiáng)度大的部件，結(jié)合增材制造技術(shù)，可以大大提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

本發(fā)明用于設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良的力學(xué)性能和物理性能的部件，本方法需要結(jié)合部件設(shè)計(jì)需求選擇合適的位置設(shè)計(jì)球單元多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良力學(xué)性能和物理特性的部件。本方法適用于采用現(xiàn)有材料制造出的零件無法滿足要求，需要采用先進(jìn)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本發(fā)明提出了一種基于球單元的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)，通過在給定外形的部件內(nèi)合理地填充實(shí)心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球甚至球體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并用3D打印技術(shù)加工制造，從而獲得強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、擁有優(yōu)秀力學(xué)性能的部件的方法。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以在應(yīng)力集中的地方增大內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，例如使用實(shí)心球體、實(shí)心半球等，在應(yīng)力分散的地方減小內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，例如使用空心球殼等，此種基于球單元的設(shè)計(jì)方法可以有效減小部件的質(zhì)量，同時(shí)提高部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

基于球單元的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可以在合理的位置填充合理半徑大小的實(shí)心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼或球體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等球單元，極大地提高了設(shè)計(jì)的多樣性，可以根據(jù)不同的需求設(shè)計(jì)不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最大程度上優(yōu)化部件的強(qiáng)度，提高部件的使用壽命。

基于球單元的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由于球狀結(jié)構(gòu)的特殊性，可以將應(yīng)力集中處的極高應(yīng)力通過球與球間的接觸而分散到其他球處，從而分散應(yīng)力集中處的應(yīng)力，有效防止了因?yàn)槟程帒?yīng)力過大而造成的部件損壞，極大地提高了部件的使用壽命，同時(shí)可以提高內(nèi)部材料的阻尼，減少因共振對部件造成的損耗，提高使用壽命。

利用3D打印技術(shù)，可以打印出結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的部件，而傳統(tǒng)的注塑技術(shù)無法完成上述設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)出特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的部件的制造。利用上述設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)的特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的部件，無需通過改變部件的外部結(jié)構(gòu)只需改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)即可達(dá)到部件的應(yīng)力強(qiáng)度要求，相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)需要不斷改變外部結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)應(yīng)力強(qiáng)度要求，可以極大地簡化部件的設(shè)計(jì)流程，并且極大程度上實(shí)現(xiàn)部件設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

利用3D打印技術(shù)，可以批量化生產(chǎn)部件，相較于傳統(tǒng)的注塑技術(shù)制造的產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)完全精確的生產(chǎn)且需要進(jìn)行強(qiáng)度測試，3D打印技術(shù)極大地簡化了生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)效率。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。