空間框架構造套件和空間框架制造技術

本發明專利技術涉及空間框架構造套件和空間框架。所述空間框架構造套件包括多個增材制造的空間框架桿和多個連接器，所述空間框架基于通過以下步驟所產生的桁架模型：以幾何邊界表示法構造載荷應力圖；在設計空間中定義多個附接點和載荷施加點；在設計空間中創建附接點與載荷施加之間的互連線的起始網絡；將載荷施加因素分配給互連線的起始網絡的每條線；產生多個潛在空間框架設計；評價多個潛在空間框架設計中的每個關于多個預先確定的優化參數的性能得分；將性能得分高于預先確定的性能閾值的潛在空間框架設計的選擇參數組合起來；以及重復產生潛在空間框架設計和基于組合的選擇參數評價潛在空間框架設計的步驟。

【技術實現步驟摘要】
空間框架構造套件和空間框架
本專利技術涉及空間框架構造套件和用計算機實現方法設計的空間框架構造套件構造的空間框架。
技術介紹
工程施工(例如，在航空、土木工程或建筑中)的梁、桁條和框架被設計成承受垂直于各個梁的延伸方向作用的彎曲力。傳統梁可以作為與邊緣的凸緣以及跨在凸緣之間的腹板作為整體部件實現?；蛘撸稍谄叫醒由斓目v向支撐條之間實現刀具滾花的支柱(cuttermilledstruts)，而不是腹板，由此導致梁重量下降，因為形成梁所用的材料更少了。為了減輕飛機上的重量，已經做了若干嘗試來優化飛機結構組件的設計。例如，文獻WO2014/111707A1公開了一種設計物體的方法，包括對與該物體對應的數字模型就已經確定在使用該物體的過程中經受相對較高的應力的部分進行分析。使用這些高應力區域來確定物體的哪部分要采用增材制造(AM)工藝生產以及物體的哪部分要采用不同的合適工藝例如加工工藝生產。文獻DE102010064100A1公開了用于分隔飛機的機艙區域的隔斷壁，其具有夾心狀表面結構。根據預定的設計標準設計結構物體的結構拓撲優化法例如已經公開在了文獻WO2007/076357A2中。文獻US2009/0224103A1公開了飛機上的隔斷壁，其包括由單獨形成的系統組件構成的支撐元件和由該支撐元件支撐的用于形成區域成形的隔斷壁的張力安裝材料。然而，需要在保持機械穩定性和有效承載應力引起的載荷的能力的同時具有更小的整體重量的飛機結構組件。
技術實現思路
因此，本專利技術的一個目是提供用于優化飛機結構組件的結構拓撲的方案，以減小建造所述組件所需的材料的量。該目的是通過具有權利要求1的特征的空間框架構造套件、具有權利要求3的特征的空間框架和具有權利要求4的特征的飛機結構組件實現的。本專利技術公開的第一方面涉及用于空間框架設計的計算機實現方法，該方法包括以下步驟：以設計空間的幾何邊界表示法構造載荷應力圖；在設計空間中定義多個附接點和載荷施加點；在設計空間中創建多個附接點和載荷施加點中的每兩個之間的互連線的起始網絡；基于載荷應力圖的值將載荷施加因素分配給互連線的起始網絡的每條線；通過根據可變選擇參數選擇性地挑選每個潛在空間框架設計的互連線的起始網絡的不同線子集產生多個潛在空間框架設計；評價多個潛在空間框架設計中的每個相對于多個預先確定的優化參數的性能得分；將性能得分高于預先確定的性能閾值的潛在空間框架設計的選擇參數組合起來；以及重復產生潛在空間框架設計和基于組合的選擇參數評價潛在空間框架設計的步驟。根據本專利技術公開的第二方面，空間框架構造套件包括：根據本專利技術公開的第一方面設計的多個空間框架桿和用于將多個空間框架桿連接到空間框架上的多個連接器。根據本專利技術公開的第三方面，空間框架包括根據本專利技術公開的第一方面設計的多個空間框架桿。根據本專利技術公開的第四方面，飛機結構組件包括：具有承重的空間框架桿的空間框架結構的基本為平面的芯板，其中每個空間框架桿是根據本專利技術公開的第一方面設計的。根據本專利技術公開的第五方面，計算機可讀存儲介質包括計算機可執行指令，當在數據處理裝置上執行時，該計算機可執行指令使該數據處理裝置執行根據本專利技術公開的第一方面的計算機實現方法。起初，對于空間框架設計，使用兩階段進化尋路算法(two-stagedevolutionaryroutefindingalgorithm)來構造朝高機械穩定性和高效載荷傳遞和分布優化的重量輕的空間框架結構。在第一階段，采用用于啟發式確定遵循最顯著的載荷路徑的宏觀空間框架模型的自適應動力學方案。該第一階段的自適應動力學方案源自變形蟲生物體多頭絨泡菌(Physarumpolycephalum)的運輸網絡的自適應動力學。優化引擎改變預定參數模型的輸入值，產生各種空間框架設計選擇，并在用簡化并因此快速運行的有限元(FE)模型進行性能評價后刪除表現最差的設計選擇。將幸存設計的初始參數用作表現更好的設計的進化的起始點，從而靠近作為算法的停止準則的帕累托邊界。然后，在第二階段，在第一階段中確定的每個空間框架構件的微結構利用迭代地在每個空間框架構件中在主應力方向上增加構件材料的生長算法進化。該算法模仿哺乳動物體內的骨和組織生長的方式。最大應變失效可在此用作迭代優化循環的停止準則。將再生設計的空間框架結構整合到周圍托架中，該周圍托架構成結構組件的外觀并使其適應飛機上的周圍結構。再生的設計方法有利地評價大量為低重量和小結構變形二者優化的設計選擇。因此，與傳統蜂窩芯夾心結構相比，該方法在保持相同結構性能的同時能夠達到減重高達45％。然后，將設計的模型作為以增材制造工藝制造空間框架構件的基礎。為了更大的靈活性，可以將空間框架構件劃分為具有適當接頭機構的子組件。特別有利的是，在設計空間框架的組件(特別是空間框架桿和/或伴隨的連接物)時隨著采用任何種類的層制造技術可以同時額外地降低成本、重量、產品設計至實際投產間的時間、部件數量以及制造復雜性。選擇參數可以選自總體線密度、局部線密度和線長度的組。計算機實現方法還可以包括：在設計空間中在一條互連線上的節點與多個附接點和載荷施加點中的一個之間或在相鄰的互連線上的兩個節點之間在互連線的起始網絡中加增強線。在某些實施例中，選擇參數然后可以額外地選自互連線上的節點位置與增強線的長度的組。評價多個潛在空間框架設計中的每個的性能得分可以使用有限元分析進行。可以使潛在空間框架設計聚集在多變量優化參數圖中，以找出接近帕累托邊界的空間框架設計。重復產生潛在空間框架設計和評價潛在空間框架設計的步驟可以在隨后產生的潛在空間框架設計的性能得分的增量降至低于終止閾值時終止。計算機實現方法可以進一步包括：基于載荷應力圖的對應值針對潛在空間框架設計中所選擇的潛在空間框架設計的線網絡中的每條線產生具有微觀結構構架的桁架模型。在某些具體的實施例中，該桁架模型然后可以用作增材制造AM工藝的輸入幾何結構，用于制造多個空間框架桿。在某些實施例中，可將將多個空間框架桿細分成多個具有預先確定的最大長度的部分空間框架桿。根據空間框架構造套件的實施方式，空間框架桿中的至少第一空間框架桿包括與成角度的銷(angledpin)在第一空間框架桿的端部處一體形成的成角度的銷連接器，所述成角度的銷與第一空間框架桿的端面間隔開并且平行于其突出，并且其中空間框架桿中的至少第二空間框架桿包括與作為第一空間框架桿的成角度的銷的插座的成角度的管(angledtube)在第二空間框架桿的端部處一體形成的成角度的插座連接器，所述成角度的管與第二空間框架桿的端面間隔開并且平行于其突出。附圖說明將參照附圖中描繪的示例性實施方式更詳細地說明本專利技術。包括用于提供對本專利技術進一步理解的附圖，這些附圖并入本說明書并構成本說明書的一部分。附圖舉例說明了本專利技術的實施方式，并與附圖說明一起用于說明本專利技術的原理。本專利技術的其他實施方式和本專利技術的預期優點將容易理解，因為通過參照下面更詳細的說明它們變得更好理解。附圖的元件不一定相對于彼此成比例。相同的附圖標記表示對應的類似部件。圖1示意性舉例說明了根據本專利技術的實施方式的飛機的隔斷件的組件的分解視圖。圖2示意性舉例說明了根據本專利技術的另一實施方式的圖1中的隔斷件的芯板的主視圖。圖3示意性舉例說明了根據本專利技術的另一實施方式的圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】
空間框架構造套件，包括：多個增材制造的空間框架桿(R)，用于構造空間框架(T1)；和多個連接器，用于將多個空間框架桿(R)連接到空間框架(T1)上，所述空間框架(T1)基于通過以下步驟所產生的桁架模型：利用實體有限元分析模型以設計空間的幾何邊界表示法構造載荷應力圖(M1)；在設計空間中定義多個附接點(A)和載荷施加點(L)(M2)；在設計空間中創建(M3)多個附接點(A)和載荷施加點(L)中的每兩個之間的互連線的起始網絡；將載荷應力圖的載荷施加因素分配給互連線的起始網絡的每條線(M4)；通過根據可變選擇參數組選擇性地挑選每個潛在空間框架設計的互連線的起始網絡的不同線子集產生多個潛在空間框架設計(M5)；評價多個潛在空間框架設計中的每個的性能得分(M6)；將性能得分高于預先確定的性能閾值的潛在空間框架設計的選擇參數組合成為選擇參數組(M7)；重復產生潛在空間框架設計(M5)和基于組合的選擇參數組評價潛在空間框架設計(M6)的步驟；以及基于載荷應力圖的對應值，針對潛在空間框架設計中所選擇的一個潛在空間框架設計的線網絡中的每條線產生具有微觀結構構架(T2)的桁架模型(M8)。

【技術特征摘要】
2015.11.30 EP 15197092.8;2015.11.30 US 14/954,0521.空間框架構造套件，包括：多個增材制造的空間框架桿(R)，用于構造空間框架(T1)；和多個連接器，用于將多個空間框架桿(R)連接到空間框架(T1)上，所述空間框架(T1)基于通過以下步驟所產生的桁架模型：利用實體有限元分析模型以設計空間的幾何邊界表示法構造載荷應力圖(M1)；在設計空間中定義多個附接點(A)和載荷施加點(L)(M2)；在設計空間中創建(M3)多個附接點(A)和載荷施加點(L)中的每兩個之間的互連線的起始網絡；將載荷應力圖的載荷施加因素分配給互連線的起始網絡的每條線(M4)；通過根據可變選擇參數組選擇性地挑選每個潛在空間框架設計的互連線的起始網絡的不同線子集產生多個潛在空間框架設計(M5)；評價多個潛在空間框架設計中的每個的性能得分(M6)；將性能得分高于預先確定的性能閾值的潛在空間框架設計的選擇參數組合成為選擇參數組(M7)；重復產生潛在空間框架設計(M5)和基于組合的選擇參數組評價潛在空間框架設計(M6)的步驟；以及基于載荷應力圖的對應值，針對潛在空間框架設計中所選擇的一個潛在空間框架設計的線網絡中的每條線產生具有微觀結構構架(T2)的桁架模型(M8)。2.根據權利要求1所述的空間框架構造套件，其中，空間框架桿(R)中的至少第一空間框架桿(R)包括與成角度的銷在第一空間框架桿(R)的端部處一體形成的成角度的銷連接器(RJ1)，所述成角度的銷與第一空間框架桿(R)的端面間隔開并且平行于其突出，并且其中空間框架桿(R)中的至少第二空間框架桿(R)包括與作為第一空間框架桿(R)的成角度的銷的插座的成角度的管在第二空間框架桿(R)的端部處一體形成的成角度的插座連接器(RJ2)，所述成角度的管與第二空間框架桿(R)的端面間隔開并且平行于其突出。3.空間框架(T1)，包括：多個增材制造的空間框架桿(R)，所述空間框架(T1)基于通過以下步驟...

【專利技術屬性】
技術研發人員：巴斯蒂安·舍費爾，馬夏爾·納班凱萊·索姆達，戴維·本杰明，丹尼爾·納吉，戴蒙·勞，戴爾·趙，
申請(專利權)人：空中客車運營有限公司，
類型：發明
國別省市：德國,DE