一种多构型点阵结构的双尺度优化设计方法

：本发明涉及点阵结构设计与优化领域，具体涉及一种多构型点阵结构的双尺度优化设计方法

背景技术

0、
背景技术：

1、传统点阵结构主要由tpms单元或桁架单元进行周期性阵列得到。tpms单元比表面积大具有更高的换热效率，但tpms的曲面薄壳特征会削弱结构刚度并发生面内屈曲；桁架单元制造简单且传力路径明确，但采用单一桁架单元阵列排布的传统点阵结构无法有效加强核心受力区域，同时桁架单元类型的单一导致内部节点应力局部应力集中破坏。

2、多构型点阵结构与传统单一构型点阵结构相比具有更强的可编程性，通过调控单元构型和体积率使得整体结构在相同材料用下能够具有更强的刚度，并且提升抗冲击性能和耗能特性等。因而近年来被广泛应用于机械零部件、车身结构等领域，尤其在航空航天飞行器制造领域，对轻量化和高强度性能的要求更加严苛，采用多构型点阵结构的双尺度优化设计能够显著降低航天结构的自重并提高力学性能。

3、3d打印技术又称增材制造，是一种快速成型技术。该技术首先创建一个数字模型文件，然后使用金属粉末或热熔塑料，通过3d打印机逐层打印，最终生成实物结构。此外，光固化技术也是3d打印的一种重要方法，利用光敏树脂在紫外光照射下固化成型。这些技术现已广泛应用于工业设计、土木工程与建筑、车辆工程、航空航天、生物医学、枪械制造等多个领域。

4、本发明的目的是为了克服现有点阵结构存在的问题而提供的一种多构型点阵结构的双尺度优化设计方法。

5、本发明可以通过以下技术方案来实现：

6、(1)借助组合数学与无向图结构对预定义的初始模块进行杂化组合生成数字编码单元库，确定数字编码单元库中的桁架点阵单元具有一般特征。

7、(2)根据桁架点阵单元的一般特征，确定单元的形式和基本参数，并采用能量均质化理论计算单元的弹性张量数据，结合单元基本参数和弹性张量数据建立rbf神经网络代理模型。

8、(3)根据rbfnn代理模型，建立宏观拓扑优化问题的灵敏度理论计算公式，基于变体积率法开展宏观尺度的拓扑优化设计，确定各个微观点阵单元的最佳体积率。

9、(4)根据微观点阵单元的最佳体积率优化结果，考虑体积率约束，基于数字编码单元库开展微观点阵单元构型的整数规划设计，从而确定最终多构型点阵结构形式。

10、(5)将优化设计结果的stl模型上传至3d打印机，并整体打印成型。

11、本发明的有益效果在于：

12、提供的设计方法可以用在任意荷载工况下的点阵结构设计中，例如机械零部件，航天器夹层板，或生物医学人体植入结构。

13、提供的设计方法明确了双尺度优化后形成的结构具有桁架点阵结构的一般特征，宏观拓扑优化过程中能够得到各个微观桁架点阵单元的体积率，确定了使得结构整体刚度最大化的材料分布模式。

14、形成的多构型点阵结构具有以下优点：相对于传统结构实现高度轻量化设计、降低结构应力集中、结构刚度性能良好。

15、形成的多构型点阵结构具有以下特征：整体结构由6种构型的桁架点阵单元组成，底部最大受拉区域桁架点阵单元的杆件尺寸增加以保证整体承载力，两侧中心受剪区域增加额外的空间对角线基本桁架模块，能够有效防止局部剪切破坏。

技术实现思路

技术特征：

1.一种多构型点阵结构的双尺度优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种多构型点阵结构的双尺度优化设计方法，其特征在于，所设计的多构型点阵结构中包含多种不同构型的点阵单元，这些点阵单元来源于预定义的数字编码单元库，步骤一具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种多构型点阵结构的双尺度优化设计方法，其特征在于，步骤二具体包括：

4.根据权利要求1所述的一种多构型点阵结构的双尺度优化设计方法，其特征在于，步骤三具体包括：

5.根据权利要求1所述的一种多构型点阵结构的双尺度优化设计方法，其特征在于，步骤四具体包括：

6.根据权利要求1所述的一种多构型点阵结构的双尺度优化设计方法，其特征在于，步骤五具体包括以下子步骤：

技术总结
本发明提出一种多构型点阵结构的双尺度优化设计方法，分别在宏观和微观尺度采用基于变体积率法的拓扑优化和基于数字编码单元库的整数规划模型，采用RBF神经网络连接宏观与微观优化问题；宏观确定点阵结构中各个单元的最佳体积率使得整体结构柔度最小化，微观确定各个单元的最佳构型使得单元应变能最低。优化设计得到的多构型的点阵具有显著优势，与传统单一构型的点阵结构相比能够保证在相同材料用量下得到柔度更低、刚度更大的设计结果，同时多构型点阵单元能够有效适配宏观结构中不同区域的应力状态从而有效降低应力集中现象。该方法适用于任意荷载工况，实现点阵结构的轻量化、高强度、受力均匀和便于3D打印的性能需求。

技术研发人员：高康,刘进隆,邹志强,张旻,吴永魁
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/16