基于增材思维的创成式正向设计 课件05结构的生成与选择

结构的生成与选择

——点阵结构设计与仿真分析目录增材制造与点阵结构点阵结构建模点阵结构优化点阵结构分析案例应用打造“基于正向设计的数字化研制”体系促进企业数字化转型，赋能数字经济发展工业软件增材制造工业互联支撑正向设计的数字化研发基于正向设计的数字化制造孪生工业孪生城市孪生战场正向设计高端装备新工业品面向服务经济的数字化赋能仿真生态知识生态增材生态打造虚实共智的数字化业态数字孪生设计创新工业仿真精益研发增材先进设计与制造一体化解决方案增材先进设计设计空间设计目标初始设计工艺约束概念设计后拓扑结构设计逆向工程点阵设计性能仿真点阵分析性能验证参数敏感性分析多学科优化稳健性/可靠性分析参数优化摆放方向优化支撑设计路径规划宏观控形仿真微观控性仿真打印设计需求拓扑优化结构设计工艺设计工艺仿真增材工艺设计与仿真面向增材的设计决策增材制造技术使复杂点阵结构的大量生产及应用成为可能性。增材制造与点阵结构结构轻量化复合材料芯层变形隔离减振结构热热交换器阻火器隔热流体催化剂载体包装浮体生物骨融合细胞生长仿生电磁电磁屏蔽电绝缘透电磁波常规三维CAD软件，如UG,PRO-E,CATIA等。以体心立方结构为例：根据长方体体对角线，建立四根支架，形成体心立方单元；体心立方单元向x、y轴两个方向阵列，得到10×10个单元的“面”。由于模型特征数目多，阵列时速度较慢。多个“面”通过装配形成待研究的体心立方点阵结构。由于单个“面”特征数目多，采用复制或者阵列命令会由于计算机的硬件限制而造成特征生成失败。耗费资源、效率低，非常容易造成建模失败，甚至需要用二次开发或专用软件来解决建模问题。点阵结构建模内置多种点阵结构，直接填充点阵结构建模点阵结构建模1.点阵空间2.面片3.点阵参数4.点阵结构拓扑优化到点阵结构设计——基于填充率进行等密度填充轻量化设计-选取合适区域填充点阵结构例如：质量密度0.4~0.6点阵结构优化设计拓扑优化到点阵结构设计——基于有限元分析进行变密度填充ANSYSTopology提供点阵结构优化点阵结构优化设计1.点阵优化2.点阵密度（填充率）3.基于点阵密度的Spaceclaim点阵生成4.变密度点阵全尺度实体建模仿真分析仅在理论上可行Discoverylive有一些尝试，但其局限大纵横比、网状结构是Discovery需要避免的结构，精度低，过于庞大的点阵结构还是有困难硬件要求高具备实用潜力的点阵结构算法梁模型多尺度算法点阵结构仿真分析Disciverylive点阵结构计算，难以大规模应用，但可作为小规模测试模型验证手段点阵结构抽取梁进行整体分析，结合子模型进行局部分析难点梁模型的抽取通常并不容易梁模型与实体模型的装配关系的定义并不容易不具有普适性，很多点阵结构形式并不适合梁模型简化随着单胞的增加，计算量也成为一个问题点阵结构仿真分析——梁模型算法适合梁单元的点阵结构（随着杆件截面的增加趋向于不适用）不适合梁单元的点阵结构宏细观结合等效均质化算法具有普遍的适用性对于大量单胞数量的情况优势明显，小型化单胞是设计的一个趋势。刚度准确，特别适合于刚度分析通过细观分析可以验算局部强度难点细观到宏观：等效均质化力学模型和参数宏观到细观：子模型算法变密度点阵结构的计算多尺度算法适用性更广，作为首选，着手解决以上难点点阵结构仿真分析——多尺度算法点阵结构设计细观分析：子胞局部分析宏观分析：等效均质化分析细观分析：子胞数值试验基于单个胞元结构，建立数值试验模型，采用约束方程定义周期边界计算等效材料属性等效均质化本构模型：各向异性是必须的正交各向异性（Orthotropic）：力学参数、热学参数正交各向异性在具有弹性对称面，在材料主轴方向正应变仅与正应力有关，剪应变仅与剪应力有关一般各向异性（Anisotropic）：弹性矩阵一般各向异性不具有弹性对称面，在任意方向正应力可能引起正应变或者剪应变，剪应力也可能引起正应变或者剪应变Ⅰ细观分析-等效材料属性

正交各向异性应力应变关系一般各向异性应力应变关系支持点阵结构：内置点阵结构支持自定义计算类型：单一点阵密度多点阵密度Ⅰ细观分析-等效材料属性支持多种分析类型热学分析力学分析Ⅱ宏观分析——等密度点阵结构分析不同点阵结构/密度的宏观均质化分析Ⅱ宏观分析——变密度点阵结构分析与点阵优化相结合，对优化的变密度点阵进行宏观均质化分析Ⅱ宏观分析——变密度点阵结构分析均质化分析点阵优化与参数优化相结合，进行点阵结构的参数优化Ⅱ宏观分析——点阵结构参数优化参数敏感性分析目标优化局部细观分析进行应力校核提取关键部位的六个应变分量该应变分量施加于胞元进行计算并确定局部应力Ⅲ细观分析-应力校核MaterialDesigner：计算点阵结构的等效材料属性LatticeSimulation：完整的细→宏→细观的多尺度分析点阵结构分析专用工具LatticeuserdefinedLatticeBuilt-inHomogenizationMacroAnalysisLocalAnalysis刚度分析LatticeSimulation对比验证材料参数几何参数载荷E=2.0e11Pav=0.3长度：150mm宽度：50mm厚度：17mm孔径：15mmP=-10000PaANSYSDiscoveryLatticeSimulationANSYSDiscoveryANSYSMechanical误差最大变形0.393mm0.384mm0.25%最大应力0.242MPa0.2449MPa0.11%模态分析：LatticeSimulation对比验证材料参数几何参数点阵参数边界条件E=2.0e11Pav=0.3长度：152.8mm宽度：54mm厚度：20.2mm长度：1mm壁厚：0.3mm体积分数：21.2%左端固定阶数ANSYSDiscoveryLatticeSimulation误差1699.3Hz698.6Hz0.1%21472.4Hz1479.9Hz0.5%32851.3Hz2778.1Hz2.6%点阵结构剖面图胞元结构等效均质化实体优化目标：轻量化设计站立时，脚掌底部受力均匀优化策略：采用点阵结构进行优化设计使得鞋底的重量尽可能低；将鞋底划分为45个区域，不同区域填充不同体积分数的点阵结构，从而具有不同的刚度；通过插值可获得任意体积分数下的弹性矩阵；案例1：鞋中底优化设计Dff体积分数对应体积分数f的弹性矩阵利用optiSLang进行优化以确定各子域对应的填充点阵的体积分数，获得满足目标函数的最优组合，使得鞋底上表面受均匀压力。案例1：鞋中底优化设计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方向变形X方向变形材料：钛合金优化目标：在有限的空间内尽可能地提高容积，并减小质量；约束条件：四个螺孔设置固定约束内腔施加42MPa案例2：压力容器优化设计钛合金杨氏模量107GPa泊松比0.32屈服强度1098MPa原始设计应力分布变形分布概念结构设计参数化几何模型参数化均质化点阵结构参数化有限元模型优化结构定型设计验证细观晶格验证最优设计点准则评价优化分析变量空间、目标函数及边界条件参数优化案例2：压力容器优化设计加强筋板内、外壳体内部支撑筋板均质化点阵结构LatticeSimulationOptislangOptislang目标优化质量最小案例2：压力容器优化设计加筋壳体