【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造，具體涉及一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3d打印方法。
技術(shù)介紹
1、結(jié)構(gòu)輕量化一直是航空航天、汽車能源裝備結(jié)構(gòu)追求高效、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵策略。設(shè)計(jì)制造一體化是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的有效途徑之一，通過(guò)早期整合生產(chǎn)限制到設(shè)計(jì)中，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)減重并提升性能。其中的關(guān)鍵一環(huán)是，如何將先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與先進(jìn)的制造技術(shù)融合，從而保證優(yōu)化結(jié)果的有效性。尤其是離散纖維優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠克服傳統(tǒng)連續(xù)纖維鋪角設(shè)計(jì)可行域非凸的優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料變剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，眾多研究學(xué)者在此領(lǐng)域獲得了豐富的優(yōu)秀的理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)果。近年來(lái)，以連續(xù)纖維3d打印技術(shù)為代表的增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，為這些優(yōu)秀的理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的制備提供了可能。但由于設(shè)計(jì)結(jié)果的“離散化”特性，增加了制備的難度。因此，本專利技術(shù)針對(duì)如上離散材料優(yōu)化結(jié)果制造過(guò)程中存在的困難，提出了一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料變剛度拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3d打印方法，以期解決從“離散纖維鋪角”到“連續(xù)纖維路徑”面臨的制造困難。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本專利技術(shù)提供的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3d打印方法解決了由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)的“離散性”，導(dǎo)致無(wú)法克服從“離散纖維鋪角”到“連續(xù)纖維路徑”面臨的制造困難的問(wèn)題。
2、為了達(dá)到上述專利技術(shù)目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：
3、提供了一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3d打印方法
4、s1、進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料變剛度多尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲取離散纖維鋪角數(shù)據(jù)；
5、其中，離散纖維鋪角數(shù)據(jù)是由個(gè)排列成的行列的方陣，對(duì)應(yīng)的公式為：
6、
7、其中，為離散纖維鋪角數(shù)據(jù)，、、和分別為第1行第1列單元、第1行第列單元、第行第1列單元和第行第列單元的纖維輔角。
8、s2、對(duì)離散纖維鋪角數(shù)據(jù)進(jìn)行離散纖維連續(xù)化處理，獲取連續(xù)纖維結(jié)果；
9、s3、對(duì)連續(xù)纖維結(jié)果進(jìn)行連續(xù)纖維路徑規(guī)劃并提取關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；
10、s4、對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和組裝；
11、s5、基于連續(xù)纖維共擠出技術(shù)，對(duì)組裝結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件3d打印，獲得初成品構(gòu)件；對(duì)初成品構(gòu)件修剪，獲得最終結(jié)構(gòu)。
12、進(jìn)一步地，步驟s1的具體步驟為：
13、s1-1、預(yù)先設(shè)定設(shè)計(jì)域并劃分單元；確定單元數(shù)目；
14、s1-2、根據(jù)單元數(shù)目，初始化各單元的宏觀拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量和微觀離散纖維鋪角設(shè)計(jì)變量；其中，宏觀拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量的初始值為體積約束，微觀離散纖維鋪角設(shè)計(jì)變量的初始值設(shè)為閾值范圍內(nèi)的隨機(jī)值；
15、s1-3、基于步驟s1-2的數(shù)據(jù)，利用ndfo材料插值方法計(jì)算所有單元彈性本構(gòu)矩陣；
16、s1-4、基于所有單元彈性本構(gòu)矩陣通過(guò)高斯積分法對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析；
17、步驟s1-4的具體過(guò)程為：
18、對(duì)所有單元彈性本構(gòu)矩陣進(jìn)行計(jì)算和組裝，得到整體剛度矩陣：對(duì)整體剛度矩陣有限元求解，得到離散纖維鋪角數(shù)據(jù)；對(duì)離散纖維鋪角數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)柔順性，即性能分析結(jié)果；
19、s1-5、基于性能分析結(jié)果，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)并進(jìn)行計(jì)算，獲得宏觀設(shè)計(jì)變量、微觀設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)的靈敏度信息；
20、s1-6、基于體積約束，對(duì)宏觀設(shè)計(jì)變量進(jìn)行計(jì)算，獲得對(duì)應(yīng)的靈敏度信息；
21、s1-7、根據(jù)所有的設(shè)計(jì)變量和靈敏度信息，使用mma優(yōu)化算法對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料變剛度拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化迭代；
22、s1-8、判斷優(yōu)化結(jié)果是否符合收斂標(biāo)準(zhǔn)；若是則停止迭代，并采用對(duì)應(yīng)的離散纖維鋪角數(shù)據(jù)；反之則進(jìn)行迭代，直至獲得滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化結(jié)果。
23、進(jìn)一步地，步驟s1-3的公式為：
24、
25、
26、其中，為備選離散纖維鋪角的標(biāo)識(shí)數(shù)，為備選離散纖維鋪角度總數(shù)，為總輔層數(shù)，為單元總數(shù)，為第層第個(gè)單元的第個(gè)備選離散纖維鋪角的彈性本構(gòu)矩陣，為第層第個(gè)單元的第個(gè)備選離散纖維鋪角的人工權(quán)系數(shù)，為插值后的第層第個(gè)單元的彈性本構(gòu)矩陣，為第層第個(gè)單元考慮宏觀密度的彈性本構(gòu)矩陣，為宏觀密度懲罰參數(shù)，為求和函數(shù)。
27、進(jìn)一步地，目標(biāo)函數(shù)是以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料變剛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔順性最小化為目標(biāo)；
28、步驟s1-5的公式為：
29、
30、
31、其中，為宏觀設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)的靈敏度信息，為轉(zhuǎn)置矩陣，為應(yīng)變-位移矩陣，為設(shè)計(jì)域，為整體位移矩陣，為以設(shè)計(jì)域?yàn)榉e分變量的積分函數(shù)，為宏觀密度懲罰參數(shù)，為求和函數(shù)，為第層第個(gè)單元的彈性本構(gòu)矩陣，為備選離散纖維鋪角的總數(shù)，為第層第個(gè)單元的第個(gè)備選離散纖維鋪角人工權(quán)系數(shù)，為第層第個(gè)單元的第個(gè)備選離散纖維鋪角對(duì)應(yīng)的彈性本構(gòu)矩陣，為第層第個(gè)單元的彈性本構(gòu)矩陣對(duì)應(yīng)的靈敏度信息，為微觀離散纖維鋪角設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)。
32、進(jìn)一步地，步驟s1-6的公式為：
33、
34、其中，為體積約束的靈敏度信息，為單元面積，為層合板厚度。
35、進(jìn)一步地，步驟s1-8的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：
36、
37、其中，為收斂標(biāo)準(zhǔn)，、分別為第次、第次的優(yōu)化結(jié)果，為第次、第次的優(yōu)化結(jié)果之間的差值的絕對(duì)值，為收斂容差。
38、進(jìn)一步地，步驟s2的具體過(guò)程為：
39、s2-1、根據(jù)公式：
40、
41、得到對(duì)應(yīng)的矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)、；其中，為離散纖維鋪角數(shù)據(jù)，為離散纖維鋪角數(shù)據(jù)的余弦值，為離散纖維鋪角數(shù)據(jù)的正弦值；
42、s2-2、通過(guò)origin對(duì)矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)、進(jìn)行繪制，得到連續(xù)纖維結(jié)果。
43、進(jìn)一步地，步驟s3的具體過(guò)程為：
44、s3-1、確定路徑的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)；
45、s3-2、以減少結(jié)構(gòu)內(nèi)多余線條為目標(biāo)，對(duì)連續(xù)纖維結(jié)果進(jìn)行路徑規(guī)劃，得到規(guī)劃后的路徑；
46、s3-3、從規(guī)劃后的路徑的起始點(diǎn)至終止點(diǎn)依次提取關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
47、進(jìn)一步地，步驟s4的公式為：
48、
49、
50、其中，為第個(gè)、第個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離，、分別為第個(gè)、第個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為第個(gè)、第個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的纖維粘合劑的擠出量，為第個(gè)、第個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的連續(xù)纖維的擠出量，為第1個(gè)和第2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的纖維粘合劑的擠出量，為第1個(gè)和第2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的連續(xù)纖維的擠出量，為單位距離所需要的粘合劑量，為組裝結(jié)果，為直線移動(dòng)，為直線移動(dòng)并擠壓，、分別為第1個(gè)和第2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，、分別為打印機(jī)噴頭移動(dòng)速度為1200、150。
51、本專利技術(shù)的有益效果為：該方法僅需離散纖維鋪角數(shù)據(jù)便可達(dá)到制造的目的，克服了從“離散纖維鋪角”到“連續(xù)纖維路徑”面臨的制造困難以及離散纖維優(yōu)化結(jié)果的“離散化”問(wèn)題；進(jìn)一步對(duì)連續(xù)纖維結(jié)果進(jìn)行路徑規(guī)劃，減少本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3D打印方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3D打印方法，其特征在于：所述步驟S1的具體步驟為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3D打印方法，其特征在于：所述步驟S1-3的公式為：
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3D打印方法，其特征在于：所述目標(biāo)函數(shù)是以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料變剛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔順性最小化為目標(biāo)；
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3D打印方法，其特征在于：所述步驟S1-6的公式為：
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3D打印方法，其特征在于：所述步驟S1-8的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3D打印方法，其特征在于：所述步驟S2的具體過(guò)程為：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3D打印方法，其特征
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3D打印方法，其特征在于：所述步驟S4的公式為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3d打印方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3d打印方法，其特征在于：所述步驟s1的具體步驟為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3d打印方法，其特征在于：所述步驟s1-3的公式為：
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3d打印方法，其特征在于：所述目標(biāo)函數(shù)是以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料變剛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔順性最小化為目標(biāo)；
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度優(yōu)化結(jié)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：段尊義，劉億，張皓翔，謝騏岳，朱繼宏，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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