基于增材思維的創(chuàng)成式正向設(shè)計 課件05結(jié)構(gòu)的生成與選擇

結(jié)構(gòu)的生成與選擇

——點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析目錄增材制造與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建模點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析案例應(yīng)用打造“基于正向設(shè)計的數(shù)字化研制”體系促進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展工業(yè)軟件增材制造工業(yè)互聯(lián)支撐正向設(shè)計的數(shù)字化研發(fā)基于正向設(shè)計的數(shù)字化制造孿生工業(yè)孿生城市孿生戰(zhàn)場正向設(shè)計高端裝備新工業(yè)品面向服務(wù)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化賦能仿真生態(tài)知識生態(tài)增材生態(tài)打造虛實共智的數(shù)字化業(yè)態(tài)數(shù)字孿生設(shè)計創(chuàng)新工業(yè)仿真精益研發(fā)增材先進(jìn)設(shè)計與制造一體化解決方案增材先進(jìn)設(shè)計設(shè)計空間設(shè)計目標(biāo)初始設(shè)計工藝約束概念設(shè)計后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計逆向工程點(diǎn)陣設(shè)計性能仿真點(diǎn)陣分析性能驗證參數(shù)敏感性分析多學(xué)科優(yōu)化穩(wěn)健性/可靠性分析參數(shù)優(yōu)化擺放方向優(yōu)化支撐設(shè)計路徑規(guī)劃宏觀控形仿真微觀控性仿真打印設(shè)計需求拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝設(shè)計工藝仿真增材工藝設(shè)計與仿真面向增材的設(shè)計決策增材制造技術(shù)使復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的大量生產(chǎn)及應(yīng)用成為可能性。增材制造與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)輕量化復(fù)合材料芯層變形隔離減振結(jié)構(gòu)熱熱交換器阻火器隔熱流體催化劑載體包裝浮體生物骨融合細(xì)胞生長仿生電磁電磁屏蔽電絕緣透電磁波常規(guī)三維CAD軟件，如UG,PRO-E,CATIA等。以體心立方結(jié)構(gòu)為例：根據(jù)長方體體對角線，建立四根支架，形成體心立方單元；體心立方單元向x、y軸兩個方向陣列，得到10×10個單元的“面”。由于模型特征數(shù)目多，陣列時速度較慢。多個“面”通過裝配形成待研究的體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。由于單個“面”特征數(shù)目多，采用復(fù)制或者陣列命令會由于計算機(jī)的硬件限制而造成特征生成失敗。耗費(fèi)資源、效率低，非常容易造成建模失敗，甚至需要用二次開發(fā)或?qū)Ｓ密浖斫鉀Q建模問題。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建模內(nèi)置多種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，直接填充點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建模點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建模1.點(diǎn)陣空間2.面片3.點(diǎn)陣參數(shù)4.點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計——基于填充率進(jìn)行等密度填充輕量化設(shè)計-選取合適區(qū)域填充點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)例如：質(zhì)量密度0.4~0.6點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計拓?fù)鋬?yōu)化到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計——基于有限元分析進(jìn)行變密度填充ANSYSTopology提供點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計1.點(diǎn)陣優(yōu)化2.點(diǎn)陣密度（填充率）3.基于點(diǎn)陣密度的Spaceclaim點(diǎn)陣生成4.變密度點(diǎn)陣全尺度實體建模仿真分析僅在理論上可行Discoverylive有一些嘗試，但其局限大縱橫比、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是Discovery需要避免的結(jié)構(gòu)，精度低，過于龐大的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)還是有困難硬件要求高具備實用潛力的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)算法梁模型多尺度算法點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析Disciverylive點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)計算，難以大規(guī)模應(yīng)用，但可作為小規(guī)模測試模型驗證手段點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)抽取梁進(jìn)行整體分析，結(jié)合子模型進(jìn)行局部分析難點(diǎn)梁模型的抽取通常并不容易梁模型與實體模型的裝配關(guān)系的定義并不容易不具有普適性，很多點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形式并不適合梁模型簡化隨著單胞的增加，計算量也成為一個問題點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析——梁模型算法適合梁單元的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（隨著桿件截面的增加趨向于不適用）不適合梁單元的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)宏細(xì)觀結(jié)合等效均質(zhì)化算法具有普遍的適用性對于大量單胞數(shù)量的情況優(yōu)勢明顯，小型化單胞是設(shè)計的一個趨勢。剛度準(zhǔn)確，特別適合于剛度分析通過細(xì)觀分析可以驗算局部強(qiáng)度難點(diǎn)細(xì)觀到宏觀：等效均質(zhì)化力學(xué)模型和參數(shù)宏觀到細(xì)觀：子模型算法變密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的計算多尺度算法適用性更廣，作為首選，著手解決以上難點(diǎn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析——多尺度算法點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)觀分析：子胞局部分析宏觀分析：等效均質(zhì)化分析細(xì)觀分析：子胞數(shù)值試驗基于單個胞元結(jié)構(gòu)，建立數(shù)值試驗?zāi)Ｐ停捎眉s束方程定義周期邊界計算等效材料屬性等效均質(zhì)化本構(gòu)模型：各向異性是必須的正交各向異性（Orthotropic）：力學(xué)參數(shù)、熱學(xué)參數(shù)正交各向異性在具有彈性對稱面，在材料主軸方向正應(yīng)變僅與正應(yīng)力有關(guān)，剪應(yīng)變僅與剪應(yīng)力有關(guān)一般各向異性（Anisotropic）：彈性矩陣一般各向異性不具有彈性對稱面，在任意方向正應(yīng)力可能引起正應(yīng)變或者剪應(yīng)變，剪應(yīng)力也可能引起正應(yīng)變或者剪應(yīng)變Ⅰ細(xì)觀分析-等效材料屬性

正交各向異性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系一般各向異性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系支持點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)支持自定義計算類型：單一點(diǎn)陣密度多點(diǎn)陣密度Ⅰ細(xì)觀分析-等效材料屬性支持多種分析類型熱學(xué)分析力學(xué)分析Ⅱ宏觀分析——等密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)/密度的宏觀均質(zhì)化分析Ⅱ宏觀分析——變密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析與點(diǎn)陣優(yōu)化相結(jié)合，對優(yōu)化的變密度點(diǎn)陣進(jìn)行宏觀均質(zhì)化分析Ⅱ宏觀分析——變密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析均質(zhì)化分析點(diǎn)陣優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合，進(jìn)行點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化Ⅱ宏觀分析——點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化參數(shù)敏感性分析目標(biāo)優(yōu)化局部細(xì)觀分析進(jìn)行應(yīng)力校核提取關(guān)鍵部位的六個應(yīng)變分量該應(yīng)變分量施加于胞元進(jìn)行計算并確定局部應(yīng)力Ⅲ細(xì)觀分析-應(yīng)力校核MaterialDesigner：計算點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料屬性LatticeSimulation：完整的細(xì)→宏→細(xì)觀的多尺度分析點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析專用工具LatticeuserdefinedLatticeBuilt-inHomogenizationMacroAnalysisLocalAnalysis剛度分析LatticeSimulation對比驗證材料參數(shù)幾何參數(shù)載荷E=2.0e11Pav=0.3長度：150mm寬度：50mm厚度：17mm孔徑：15mmP=-10000PaANSYSDiscoveryLatticeSimulationANSYSDiscoveryANSYSMechanical誤差最大變形0.393mm0.384mm0.25%最大應(yīng)力0.242MPa0.2449MPa0.11%模態(tài)分析：LatticeSimulation對比驗證材料參數(shù)幾何參數(shù)點(diǎn)陣參數(shù)邊界條件E=2.0e11Pav=0.3長度：152.8mm寬度：54mm厚度：20.2mm長度：1mm壁厚：0.3mm體積分?jǐn)?shù)：21.2%左端固定階數(shù)ANSYSDiscoveryLatticeSimulation誤差1699.3Hz698.6Hz0.1%21472.4Hz1479.9Hz0.5%32851.3Hz2778.1Hz2.6%點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)剖面圖胞元結(jié)構(gòu)等效均質(zhì)化實體優(yōu)化目標(biāo)：輕量化設(shè)計站立時，腳掌底部受力均勻優(yōu)化策略：采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計使得鞋底的重量盡可能低；將鞋底劃分為45個區(qū)域，不同區(qū)域填充不同體積分?jǐn)?shù)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，從而具有不同的剛度；通過插值可獲得任意體積分?jǐn)?shù)下的彈性矩陣；案例1：鞋中底優(yōu)化設(shè)計Dff體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)體積分?jǐn)?shù)f的彈性矩陣?yán)胦ptiSLang進(jìn)行優(yōu)化以確定各子域?qū)?yīng)的填充點(diǎn)陣的體積分?jǐn)?shù)，獲得滿足目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)組合，使得鞋底上表面受均勻壓力。案例1：鞋中底優(yōu)化設(shè)計0.3070.6240.6870.3070.2530.3400.3160.2900.2890.0860.5010.4930.6970.6090.7070.4130.2810.2120.1390.3840.4280.4730.5310.4610.5730.5980.6450.6410.1410.1390.2270.2750.3430.3590.3440.4660.2080.2850.3110.2050.1400.5000.4220.2160.140Y方向變形X方向變形材料：鈦合金優(yōu)化目標(biāo)：在有限的空間內(nèi)盡可能地提高容積，并減小質(zhì)量；約束條件：四個螺孔設(shè)置固定約束內(nèi)腔施加42MPa案例2：壓力容器優(yōu)化設(shè)計鈦合金楊氏模量107GPa泊松比0.32屈服強(qiáng)度1098MPa原始設(shè)計應(yīng)力分布變形分布概念結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)化幾何模型參數(shù)化均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元模型優(yōu)化結(jié)構(gòu)定型設(shè)計驗證細(xì)觀晶格驗證最優(yōu)設(shè)計點(diǎn)準(zhǔn)則評價優(yōu)化分析變量空間、目標(biāo)函數(shù)及邊界條件參數(shù)優(yōu)化案例2：壓力容器優(yōu)化設(shè)計加強(qiáng)筋板內(nèi)、外殼體內(nèi)部支撐筋板均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)LatticeSimulationOptislangOptislang目標(biāo)優(yōu)化質(zhì)量最小案例2：壓力容器優(yōu)化設(shè)計加筋殼體