面向增材制造的蒙皮点阵结构及结构的内支撑设计方法

1.本发明涉及轻量化结构技术领域，尤其涉及一种面向增材制造的蒙皮点阵结构及结构的内支撑设计方法。


背景技术：

2.随着我国各个领域工程技术的蓬勃发展，航空航天，汽车工业等领域对结构的轻量化、高性能、多功能等方面提出了更高的要求。三维点阵结构可以通过调整微结构几何，达到调节点阵结构力学性能的效果，在复杂结构轻量化设计中具有广泛的应用前景。在实际工程应用中，往往在点阵芯层外包覆蒙皮形成蒙皮点阵结构，在充分发挥点阵结构的优异性能的前提下对点阵芯层提供保护。
3.由于具有复杂的几何结构，蒙皮-点阵结构往往采用增材制造工艺进行制造，而增材制造过程中需要考虑结构的支撑约束。不同于传统实体结构的支撑结构，蒙皮-点阵结构的内支撑因处于蒙皮-点阵结构内部，并与点阵芯层连接，在增材过程完成后无法去除，而且在结构中起到承载以及蒙皮及芯层间传递载荷的作用。若结构不合理，则会严重影响蒙皮点阵结构的性能。此外，由于蒙皮-点阵结构一般具有较为复杂的几何构型，这使得支撑物的设计、建模更加困难。因此，如何对点阵芯层中添加合适的杆件，对点阵芯层自身及外包覆蒙皮进行支撑成为蒙皮-点阵结构设计过程中的关键问题。目前，尚无专门面向增材制造的蒙皮-点阵结构内部支撑的设计的方法。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.本发明的第一个目的是提供一种面向增材制造的蒙皮点阵结构的内支撑设计方法，解决增材制造蒙皮点阵结构内支撑设计的问题。
6.本发明的第二个目的是提供一种面向增材制造的具有合理内支撑结构的蒙皮点阵结构。
7.(二)技术方案
8.为了实现上述第一个目的，第一方面，本发明提供了一种面向增材制造的蒙皮点阵结构的内支撑设计方法，包括以下步骤：
9.对包覆在点阵芯层上侧的上蒙皮模型进行空间离散，离散后的任意相邻的两个节点之间的距离均不大于所采用增材制造工艺允许的最小跨距；
10.以离散单元的形心沿打印负方向偏移预设距离，得到离散单元的支撑基准点，以支撑基准点至离散单元的每个节点的连线分别作为轴线，并根据第一预设半径得到相对应数量的支撑杆，形成离散单元的棱锥支撑，每个支撑杆的倾斜角度均不小于所采用增材制造工艺允许的最小成型角度，在点阵芯层上选择连接点，以棱锥支撑的顶点与点阵芯层上的连接点之间的连线作为轴线，并根据第二预设半径得到连接点阵芯层和棱锥支撑的连杆，连杆的倾斜角度不小于所采用增材制造工艺允许的最小成型角度；
11.当离散得到的每个离散单元处均形成一个棱锥支撑，且每个棱锥支撑的顶点均通过连杆与点阵芯层连接，则得到上蒙皮内支撑。
12.优选地，形心的偏移预设距离小于点阵芯层单胞周期长度的一半。
13.优选地，第一预设半径与点阵芯层的杆件半径相同；和/或
14.第二预设半径与点阵芯层的杆件半径相同。
15.优选地，在所采用增材制造工艺允许的最小成型角度至90
°
之间的范围内，连杆选择相对水平面更大的倾斜角度。
16.优选地，每个点阵芯层上的连接点连接的杆件数量不超过八个。
17.第二方面，在第一方面中任一实施方式的基础上，在点阵芯层靠近下蒙皮一侧的单胞具有悬空节点时，对下蒙皮模型进行空间离散，在下蒙皮离散后的节点中选择连接点，以悬空节点与下蒙皮上的连接点之间的连线作为轴线，并根据第三预设半径得到悬空点支杆，悬空点支杆的倾斜角度不小于所采用增材制造工艺允许的最小成型角度，直至每个悬空节点均连接有悬空点支杆。
18.在第二方面中优选地，在所采用增材制造工艺允许的最小成型角度至90
°
之间的范围内，悬空点支杆选择相对水平面更大的倾斜角度。
19.在第二方面中优选地，第三预设半径与点阵芯层的杆件半径相同。
20.为了实现上述第二个目的，第三方面，本发明还提供了一种面向增材制造的蒙皮点阵结构，包括上蒙皮、点阵芯层和下蒙皮，点阵芯层位于上蒙皮和下蒙皮之间，位于下层的点阵芯层每个单胞均有节点与下蒙皮连接，使下蒙皮为点阵芯层提供所需的打印支撑，上蒙皮与点阵芯层之间设有上蒙皮内支撑，上蒙皮内支撑由第一方面中任一项的内支撑设计方法得到。
21.第四方面，本发明还提供了一种面向增材制造的蒙皮点阵结构，包括上蒙皮、点阵芯层和下蒙皮，点阵芯层位于上蒙皮和下蒙皮之间，上蒙皮与点阵芯层之间设有上蒙皮内支撑，点阵芯层与下蒙皮之间的悬空节点连接有悬空点支杆，上蒙皮内支撑和悬空点支杆由上述第二方面中任一项的内支撑设计方法得到。
22.(三)有益效果
23.本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的面向增材制造的蒙皮点阵结构的内支撑设计方法，利用设计好并按尺寸装配的模型作为设计基础，通过对蒙皮进行离散，以此确定支撑点位，满足打印支撑，保障了上蒙皮与点阵芯层之间的载荷传递的同时尽量减少了对点阵芯层力学性能分布的影响，并且，由于在建模过程中对蒙皮几何进行了空间离散，提取节点的空间坐标，可以方便地转化为有限元模型进行计算或用于制备，为产品的设计及仿真计算带来了便利，具有十分重要的工程应用价值。尤其是面对点阵芯层位于上蒙皮和下蒙皮所形成的封闭腔体内和/或复杂几何形貌的蒙皮点阵结构，更具有优势。
24.该蒙皮点阵结构具有合理内支撑结构的蒙皮点阵结构，不仅满足打印支撑，并且充分考虑了内支撑的承载需求，保障了上蒙皮与点阵芯层之间的载荷传递的同时尽量减少了对点阵芯层力学性能分布的影响，在打印完成后无需去除。
附图说明
25.本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一
致。
26.图1是本发明实施例一中一种面向增材制造的蒙皮点阵结构的内支撑设计方法的流程示意图；
27.图2是本发明实施例中一种未添加内支撑的蒙皮点阵零件的模型示意图；
28.图3是图2中蒙皮点阵零件模型的中间剖分的示意图；
29.图4是本发明实施例中一种蒙皮点阵零件的部分上蒙皮模型离散后的示意图；
30.图5是本发明实施例中一种蒙皮点阵零件的上蒙皮一个离散单元的棱锥支撑及连杆的模型示意图；
31.图6是本发明实施例二中一种面向增材制造的蒙皮点阵结构的内支撑设计方法的流程示意图；
32.图7是本发明实施例中一种蒙皮点阵零件的悬空点支杆与下蒙皮和点阵芯层连接的模型示意图；
33.图8是本发明实施例中一种添加内支撑的蒙皮点阵零件模型的中间剖分的示意图。
34.图中：
35.1：上蒙皮；
36.2：点阵芯层；
37.3：下蒙皮；
38.4：上蒙皮内支撑；
39.41：棱锥支撑；
40.411：支撑杆；
41.42：连杆；
42.5：悬空点支杆。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
45.实施例一
46.本发明实施例提供的是一种面向增材制造的蒙皮点阵结构的内支撑设计方法，主要针对的是因为点阵芯层的单胞结构的设计原因，在采用增材制造时点阵芯层不满足对上蒙皮的打印支撑。
47.参见图1～图3所示，对上蒙皮1、下蒙皮2以及点阵芯层2的设计根据需求正常设计即可，参见图2和图3所示，利用设计好并按尺寸装配的模型作为设计基础。参见图4所示，对上蒙皮1进行空间离散，得到离散后每个节点的空间坐标(提取节点坐标)。上蒙皮1离散后的任意相邻的两个节点之间的距离均不大于所采用增材制造工艺允许的最小跨距。在本实
施例中，优选地采用四边形对上蒙皮1进行空间离散，得到的离散单元为四边形，具有四个节点。
48.参见图5所示，以离散单元的形心沿打印负方向(垂直并朝向打印基板的方向)偏移预设距离，得到离散单元的支撑基准点，以支撑基准点至离散单元的每个节点的连线分别作为轴线，并根据第一预设半径拉伸得到截面为圆形的四根支撑杆411，四根支撑杆411的一端分别与四个节点相连接的，另一端相连至支撑基准点，形成离散单元的棱锥支撑41(在本实施例中为棱锥支撑为四棱锥支撑)，得到四棱锥支撑的每个支撑杆411的倾斜角度均不小于所采用增材制造工艺允许的最小成型角度(根据工艺不同会有不同，例如，35
°
、40
°
等，但工艺确定后最小成型角度为确定的角度)。支撑基准点(四棱锥的顶点)确定后，在点阵芯层2上选择连接点，连接点的坐标可以是通过模型获得，也可以是通过对点阵芯层2进行空间离散获得，在此不做限定。以棱锥支撑41的顶点与所选择的点阵芯层2上的连接点之间的连线作为轴线，并根据第二预设半径拉伸得到连接点阵芯层2和棱锥支撑41的截面为圆形的连杆42，其中，连杆42的倾斜角度不小于所采用增材制造工艺允许的最小成型角度。
49.当离散得到的每个离散单元均形成一个棱锥支撑41，且每个棱锥支撑41的顶点均通过连杆42与点阵芯层2连接，则得到上蒙皮内支撑4。进而得到能够满足增村制造要求的蒙皮点阵结构。
50.该设计方法得到的内支撑不仅用于支撑上蒙皮，满足打印支撑，并且充分考虑了内支撑的承载需求，保障了上蒙皮与点阵芯层之间的载荷传递的同时尽量减少了对点阵芯层力学性能分布的影响。另一方面，由于在建模过程中对蒙皮几何进行了空间离散，提取节点的空间坐标，因此可以非常方便地转化为有限元模型进行计算或用于制备，为产品的设计及仿真计算带来了极大的便利，具有十分重要的工程应用价值。尤其是面对点阵芯层位于上蒙皮和下蒙皮所形成的封闭腔体内蒙皮点阵结构或者具有复杂几何形貌(例如具有大曲率或者多种不同曲率)的蒙皮点阵结构，本实施例的设计方法更具有优势。
51.在一些实施方式中，采用三边形对上蒙皮进行空间离散，每个离散单元具有三个节点(相邻的离散单元具有共用的节点)，其设计方法与采用四边形进行空间离散基本相同，区别在于：离散单元得到的棱锥支撑为三棱锥支撑。
52.在又一些实施方式中，采用五边形、六边形等多边形对上蒙皮进行空间离散。针对一些形状的蒙皮，采用边数过多的几何形状进行离散，易出现不能密排或部分离散单元出现扭曲严重等情况，此时可以采用混合几何形状进行离散，即以一个几何形状(例如五边形或六边形)为主进行空间离散，然后在不能密排的区域或者扭曲严重的区域采用其他几何形状进行离散，例如，三边形或四边形。
53.值得说明的是，无论采用三边形还是四边形又或者采用多种几何形状混合进行空间离散，每个离散单元均具一个完整的棱锥支撑，由于相邻的离散单元会具有共用的节点，因此，共用节点处会具有多个支撑杆(属于不同棱锥)，支撑杆的数量与该共用节点与所属离散单元的数量相同，例如，共用节点是三个离散单元的共用节点，则该共用节点处具有三个支撑杆，该三个支撑杆分别是三个离散单元所对应的棱锥支撑的一部分。再例如，共用节点是四个离散单元的共用节点，则该共用节点处具有四根支撑杆，该四根支撑杆分别是四个离散单元所对应的棱锥支撑的一部分。
54.在一优选实施方式中，形心的偏移预设距离小于点阵芯层单胞周期长度的一半，在保证支撑杆满足所采用增材制造工艺允许的最小成型角度的同时，能够保证支撑杆件区域在点阵芯层单胞内所占比例尽量小，从而进一步降低支撑结构对点阵芯层力学性能的影响。
55.在一些实施方式中，形心的偏移预设距离等于离散单元的平均边长。通过示例进一步解释离散单元的平均边长，例如，当离散单元为四边形时，设计该离散单元的棱锥支撑，该离散单元形心的偏移预设距离小于点阵芯层单胞周期长度的一半。当离散单元为三边形时，设计该离散单元的棱锥支撑，该离散单元形心的偏移预设距离等于该离散单元周长的三分之一，且小于点阵芯层单胞周期长度的一半。
56.需要说明的是，一般情况下，点阵芯层单胞周期长度的一半大于离散单元的平均边长。
57.第一预设半径和第二预设半径可以根据需要进行设计，在一优选实施方式中，第一预设半径与点阵芯层的杆件半径接近稍大于或稍小于)。更优选地，第一预设半径与点阵芯层的杆件半径相同(稍大于或稍小于)，能够保证杆件具有足够的承载性能，更好的实现蒙皮与点阵芯层之间的载荷传递。
58.同样，优选地，第二预设半径与点阵芯层的杆件半径接近(稍大于或稍小于)。更优选地，第二预设半径与点阵芯层的杆件半径相同。能够保证杆件具有足够的承载性能，更好的实现蒙皮与点阵芯层之间的载荷传递。
59.在一优选实施方式中，连杆的倾斜角度在满足所采用的增材制造工艺所允许的最小成型角度基础上(角度约束)，在所采用增材制造工艺允许的最小成型角度至90
°
之间的范围内，连杆选择相对水平面更大的倾斜角度，即选择使连杆更接近于垂直状态。例如，连杆相对水平面的倾斜角度可以为60
°
也可以为80
°
时，则倾斜角度优先选择为80
°
。优选地，连杆与点阵芯层的连接点优先选择点阵芯层的单胞节点处。若对每个节点处连接杆件没有要求的情况下，在满足连杆尽量接近垂直状态的情况下，连杆与点阵芯层的连接点优先选择距离最近的点阵芯层的单胞节点，即连杆的长度相尽量短(长度约束)。由于同一节点上连接的杆件(包括单胞本身的杆件)数量过多，容易产生节点断裂等问题，因此，一般需要对节点连接的杆件数量进行限制(节点连通性约束)，优选地，每个点阵芯层上的连接点连接的杆件数量不超过八个，例如，六个、七个、八个等。在三个约束条件(角度约束、长度约束和节点连通性约束)中，为保证支撑杆件能够符合增材制造工艺要求，角度约束为硬性约束。为保证最优连接点存在，长度约束及节点连通性约束可适当放宽。约束的具体数值可以根据采用工艺及设计要求的不同进行调整。在满足三个约束的前提条件下，选取点阵芯层内最适合的节点与棱锥顶点相连，完成连杆的建模。若点阵芯层上同时有多个适合的节点，可以选择任意一个个节点作为连接点。当然，在一些较为少见的结构中，为了满足一些特殊要求，例如，在满足角度约束的情况下或者同时满足角度约束和长度约束的情况下，可以有少量的连杆的连接点选择在单胞的杆件上，即连杆一端与棱锥的顶点连接，另一端与单胞的杆件连接。
60.实施例二
61.本发明实施例提供的是一种面向增材制造的蒙皮点阵结构的内支撑设计方法，主要针对的是因为点阵芯层的单胞结构的设计原因，采用增材制造时，点阵芯层不满足对上
蒙皮的打印支撑，点阵芯层靠近下蒙皮一侧的单胞与下蒙皮之间具有悬空节点，使下蒙皮不能满足悬空处的点阵芯层的打印支撑。
62.参见图6～图8所示，本实施例二针对上蒙皮内支撑的设计与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于还增加了点阵芯层悬空节点的支撑设计，具体如下：对下蒙皮模型进行空间离散，在下蒙皮3离散后的节点中选择连接点，以悬空节点与下蒙皮3上的连接点之间的连线作为轴线，并根据第三预设半径得到截面为圆形的悬空点支杆5，其中，悬空点支杆5的倾斜角度不小于所采用增材制造工艺允许的最小成型角度，直至每个悬空节点均连接有悬空点支杆5。
63.需要说明的是，上蒙皮1和下蒙皮3进行空间离散所采用的几何形状，并不要求保持一致。本实施例中对下蒙皮进行离散所采用的几何形状不做限定。例如，上蒙皮1采用四边形进行空间离散，下蒙皮3则可以采用四边形进行空间离散，也可以采用三边形进行空间离散。但更优选地，下蒙皮3与上蒙皮1采用相同的几何形状进行空间离散，例如，上蒙皮1采用四边形进行空间离散，下蒙皮3也同样采用四边形进行空间离散。
64.在一优选实施方式中，在所采用增材制造工艺允许的最小成型角度至90
°
之间的范围内，悬空点支杆5选择相对水平面更大的倾斜角度。
65.在进行悬空点支杆5的设计时，相对连杆的设计约束相对较小，一般优先考虑角度，即悬空点支杆5越接近垂直越优。其次，长度越短越好。
66.其中，优选地，第三预设半径与点阵芯层的杆件半径接近，更优选地，第三预设半径与点阵芯层的杆件半径相同。
67.实施例三
68.参见图2、图3和图5所示，本实施例提供了一种面向增材制造的蒙皮点阵结构，包括上蒙皮1、点阵芯层2和下蒙皮3，上蒙皮1和下蒙皮3相连接，在两者之间形成封闭的腔体，点阵芯层2位于上蒙皮1和下蒙皮3所形成的封闭腔体内，位于下层的点阵芯层2每个单胞均有节点与下蒙皮3连接，使下蒙皮3为点阵芯层2提供所需的打印支撑，上蒙皮1与点阵芯层2之间设有上蒙皮内支撑4，上蒙皮内支撑4由实施例一中任一内支撑设计方法得到。根据离散所采用的形状不同，离散单元的棱锥支撑4可以是三棱锥支撑也可以是四棱锥支撑，在此不再赘述。该蒙皮点阵结构具有合理内支撑结构的蒙皮点阵结构，不仅用于支撑上蒙皮，满足打印支撑，并且充分考虑了内支撑的承载需求，保障了上蒙皮与点阵芯层之间的载荷传递的同时尽量减少了对点阵芯层力学性能分布的影响，在打印完成后无需去除。
69.本实施例中支撑杆和连杆均为圆杆，能够避免应力集中。
70.在其他一些实施方式中，蒙皮点阵结构具有复杂几何形貌，例如具有大曲率或者多种不同曲率的结构；也可以是周向上为非封闭的结构，例如，上蒙皮和下蒙皮分别位于点阵芯层的两侧，在周向上则不覆盖点阵芯层。
71.实施例四
72.参见图2、图3、图5、图7和图8所示，本实施例提供了一种面向增材制造的蒙皮点阵结构，包括上蒙皮1、点阵芯层2和下蒙皮3，上蒙皮1和下蒙皮3相连接，在两者之间形成封闭的腔体，点阵芯层2位于上蒙皮1和下蒙皮3所形成的封闭腔体内，点阵芯层2与下蒙皮3之间的悬空节点连接有悬空点支杆5，，上蒙皮1与点阵芯层2之间设有上蒙皮内支撑4，其中，上蒙皮内支撑4和悬空点支杆5由实施例二中任一内支撑设计方法得到。根据离散所采用的形
状不同，离散单元的棱锥支撑4可以是三棱锥支撑也可以是四棱锥支撑，在此不再赘述。该蒙皮点阵结构具有合理内支撑结构的蒙皮点阵结构，不仅用于支撑上蒙皮和点阵芯层，满足打印支撑，并且充分考虑了内支撑的承载需求，保障了上蒙皮与点阵芯层之间的载荷传递的同时尽量减少了对点阵芯层力学性能分布的影响，在打印完成后无需去除。
73.本实施例中支撑杆、连杆和悬空点支杆均为圆杆，能够避免应力集中。
74.在其他一些实施方式中，蒙皮点阵结构具有复杂几何形貌，例如具有大曲率或者多种不同曲率的结构；也可以是周向上为非封闭的结构，例如，上蒙皮和下蒙皮分别位于点阵芯层的两侧，在周向上则不覆盖点阵芯层。
75.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
76.此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。