發(fā)布時間：2017-10-11 04:32

  本文關鍵詞：功能梯度蜂窩建模與優(yōu)化設計方法研究

  更多相關文章： 增材制造 蜂窩結構 功能梯度結構 功能梯度材料 輕量化 生成設計 拓撲優(yōu)化

【摘要】：在增材制造技術得到廣泛重視和迅速發(fā)展的背景下,本文針對產(chǎn)品輕量化和復雜結構建模問題,以一種典型的多孔結構——蜂窩結構為對象,從結構和材料兩個層面進行了輕量化優(yōu)化設計與建模研究,提出了功能梯度結構蜂窩和功能梯度材料蜂窩(本文將其統(tǒng)一稱為功能梯度蜂窩)。將生成設計與蜂窩結構建模、拓撲優(yōu)化與功能梯度材料設計緊密結合,對于提高產(chǎn)品設計效率和產(chǎn)品性能、降低產(chǎn)品重量和成本,拓展增材制造技術的應用范圍以及促進增材制造技術的普及甚至制造與設計思想的變革,具有重要的作用與研究意義。本文所做的主要工作如下:1、功能梯度結構蜂窩壁厚設計。提出了一種新型結構蜂窩——功能梯度結構(Functionally Graded Structure,FGS)蜂窩及其設計理念。通過對正六邊形蜂窩的結構參數(shù)分析,得出了各蜂窩單元相對密度與孔壁長度、孔壁厚度、蜂窩孔徑有關的結論。在此基礎上,對變密度拓撲優(yōu)化進行了改進,去掉了懲罰因子對中間密度的影響,然后提出了基于拓撲優(yōu)化密度映射的FGS蜂窩壁厚設計方法。2、FGS蜂窩的生成式建模方法研究。以生成設計的思想研究了FGS蜂窩的建模過程,在切線構造法生成蜂窩結構平面主線的基礎上,提出了蜂窩單元內(nèi)邊界數(shù)據(jù)的計算方法,利用UG二次開發(fā)進行了FGS蜂窩模型的生成。分析了在FDM工藝中出現(xiàn)的模型翹曲變形問題,并提出了解決方法。然后,用一個具體參數(shù)的FGS蜂窩說明了所提方法的應用過程,驗證了其可行性,并用3D打印機打印出了所建FGS蜂窩的實體模型。3、FGS蜂窩抗彎剛度性能優(yōu)化。分析了設計過程中關鍵因素(基圓半徑和權重因子)對設計結果的影響,建立了響應面模型。在此基礎上,利用多學科設計優(yōu)化思想,將FGS蜂窩優(yōu)化問題轉換成了包含結構領域和力學領域的多學科優(yōu)化問題,建立了多學科優(yōu)化模型,搭建了協(xié)同優(yōu)化框架進行了求解,得到了綜合性能(體積和抗彎剛度)最優(yōu)的FGS蜂窩。然后,以相同重量下的普通均勻結構蜂窩和本文中最優(yōu)的FGS蜂窩為對象,通過在Ansys Workbench軟件中有限元仿真,對兩種結構的抗彎剛度進行了對比分析,驗證了所提方法的有效性。4、FGM蜂窩的建模與材料分布優(yōu)化。提出了從材料空間到幾何空間映射的建模思想,首先定義材料空間,然后給定從材料空間到幾何空間的映射函數(shù),通過材料組分值和相應的映射函數(shù),即可確定與給定材料組分值對應的幾何空間。再利用插值算法,計算出其他部分的材料信息,最終實現(xiàn)模型幾何信息和材料信息的整體表達,提高了數(shù)據(jù)表示的簡潔性,并將此建模方法應用到FGM蜂窩單元的建模中,證明了所提方法的可行性和有效性。然后,為了得到材料在各FGM蜂窩單元的最優(yōu)分布,在FGM性能參數(shù)分析的基礎上,根據(jù)變密度法拓撲優(yōu)化的思想,建立了FGM材料分布函數(shù)系數(shù)的優(yōu)化模型。
【關鍵詞】：增材制造 蜂窩結構 功能梯度結構 功能梯度材料 輕量化 生成設計 拓撲優(yōu)化
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB34;TB383.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 研究背景12-15
• 1.2 國內(nèi)外研究概況15-19
• 1.2.1 多孔結構設計與建模方法研究15-17
• 1.2.2 FGM設計與建模方法研究17-19
• 1.3 課題來源與研究意義19
• 1.4 主要研究內(nèi)容19-22
• 第二章 功能梯度結構蜂窩壁厚設計22-35
• 2.1 蜂窩結構參數(shù)分析22-24
• 2.2 變密度拓撲優(yōu)化理論24-29
• 2.2.1 均勻化方法24-26
• 2.2.2 變密度法26-28
• 2.2.3 數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象28-29
• 2.3 基于拓撲優(yōu)化密度映射的FGS蜂窩壁厚計算方法29-33
• 2.3.1 蜂窩結構仿自然式生成建模方法29-31
• 2.3.2 蜂窩單元壁厚的計算31-33
• 2.4 小結33-35
• 第三章 功能梯度結構蜂窩生成式建模方法研究35-49
• 3.1 蜂窩結構平面主線生成35-38
• 3.2 FGS蜂窩單元內(nèi)邊界頂點坐標及拓撲關系的確定38-40
• 3.2.1 內(nèi)邊界頂點坐標的計算38-39
• 3.2.2 內(nèi)邊界頂點拓撲關系的確定39-40
• 3.3 基于UG二次開發(fā)的FGS蜂窩建模40-45
• 3.3.1 UG二次開發(fā)介紹40-41
• 3.3.2 FGS蜂窩生成式建模41-45
• 3.4 蜂窩模型的 3D打印45-48
• 3.4.1 熔融沉積成型工藝介紹45-46
• 3.4.2 模型翹曲變形問題分析及解決方法46-48
• 3.5 小結48-49
• 第四章 功能梯度結構蜂窩抗彎剛度性能優(yōu)化49-64
• 4.1 問題分析49-50
• 4.2 多學科設計優(yōu)化技術50-51
• 4.3 優(yōu)化模型51-53
• 4.4 基于代理模型技術的優(yōu)化模型求解53-59
• 4.4.1 參數(shù)設計空間的確定53-54
• 4.4.2 實驗設計（DOE）54-55
• 4.4.3 有限元分析55-57
• 4.4.4 歸一化處理57-58
• 4.4.5 模型求解58-59
• 4.5 有限元分析驗證59-63
• 4.6 小結63-64
• 第五章 功能梯度材料蜂窩建模與材料分布優(yōu)化64-75
• 5.1 FGM建模的數(shù)據(jù)表示64-68
• 5.2 從材料空間到幾何空間映射的FGM建模68-70
• 5.3 FGM蜂窩的建模70-72
• 5.4 FGM蜂窩材料分布的優(yōu)化72-74
• 5.4.1 功能梯度材料性能參數(shù)分析72-73
• 5.4.2 FGM蜂窩材料分布函數(shù)系數(shù)的優(yōu)化73-74
• 5.5 小結74-75
• 第六章 總結與展望75-78
• 6.1 總結75-76
• 6.2 展望76-78
• 參考文獻78-83
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單83-84
• 致謝84

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1 丁皓江;楊博;陳偉球;;功能梯度板柱面彎曲的彈性力學解[A];第十五屆全國復合材料學術會議論文集（下冊）[C];2008年

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