【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及航天器結構機構增材制造領域，尤其涉及一種異形結構多尺度優化智能設計方法。
技術介紹
1、隨著航天器型號減重需求越來越迫切，基于增材制造的輕量化結構在航天器上應用逐步增多。異形夾層結構是一種典型的高剛度、高強度的輕量化結構，在航天器領域得到廣泛應用。異形夾層結構的性能主要取決于夾層的類型，包括隨機性夾層(如泡沫)和周期性夾層(如晶格)。雖然隨機性夾層易于制造，但其力學性能不可預測，而周期性夾層由重復排列的多孔單元構成，因此具有可預測的力學性能，通過調整晶格的幾何形狀和分布，可以實現更好的性能控制。
2、隨著增材制造技術的發展，大大擴展了異形夾層結構的設計空間，然而，現有的夾層通常基于規則形狀設計，難以直接應用于異形夾層結構；并且在設計周期性夾層時通常基于經典的正交包絡晶格，晶格之間存在間斷連接，晶格與異形夾層結構之間存在幾何失配，不僅導致結構局部應力集中度和強度下降，而且影響結構的整體性能。
3、可見，提供一種異形結構多尺度優化智能設計方法，以實現梯度晶格填充異形夾層結構的優化設計及其制備是亟待解決的問題。
技術實現思路
1、鑒于上述的分析，本專利技術旨在提供一種異形結構多尺度優化智能設計方法，用以解決目前缺乏梯度晶格填充異形夾層結構的優化設計及其制備方法的問題。
2、本專利技術提供了一種異形結構多尺度優化智能設計方法，所述方法包括以下步驟：
3、采用水平集函數構建異形晶格結構，通過對所述異形晶格結構進行插值以及修正得到隨
4、基于本構代理模型與等幾何拓撲優化方法，以最小化異形夾層結構柔度為目標迭代求解，獲得最優的密度分布；
5、將最優的密度分布代入所述幾何代理模型輸出插值系數，通過nurbs基函數修正所述插值系數，由梯度晶格填充生成異形夾層結構的隱式模型。
6、進一步地，構建異形晶格結構的幾何空間，通過對相對密度樣本點進行多項式插值得到插值后相對密度樣本點對應的本構矩陣，構建異形晶格結構的本構矩陣空間，確定從所述幾何空間到本構矩陣空間的映射關系從而建立本構代理模型。
7、進一步地，將本構代理模型輸入cad軟件，基于nurbs基函數構建等幾何模型，通過k-精化對等幾何模型進行細化，定義邊界條件和約束，建立密度分布函數，以最小化異形夾層結構柔度為目標建立目標函數，基于密度分布函數進行靈敏度分析，通過mma算法迭代求解目標函數獲得最優的密度分布。
8、進一步地，通過公式（8）-（10）計算插值系數與長寬比及相對密度樣本點之間的關系：
9、，?????????????????????(8)
10、，?????????????(9)
11、，??????????????????????????(10)
12、其中，是海維賽德函數（heaviside?function），是隨形梯度異形晶格結構的相對密度，是隨形梯度異形晶格結構的長寬比，是隨形梯度異形晶格結構的插值系數，是多項式插值系數，是插值階數，是最大插值階數，代表水平集函數，代表設計域；
13、幾何代理模型的表達式如下所示：
14、，????????????????????????????????(11)
15、其中，表示幾何代理模型。
16、進一步地，單個異形晶格結構的隱式建模表達式為：
17、，??????????????????????（3）
18、其中，void代表異形晶格結構空隙，boundary代表異形晶格結構邊界，solid代表異形晶格被材料填充的區域。
19、進一步地，將最優的密度分布代入由公式（10）和（11）建立的幾何代理模型輸出插值系數，通過nurbs基函數修正所述插值系數得到修正后的插值系數，基于修正后的插值系數和隨形梯度異形晶格結構采用水平集函數構建隨形連續的梯度異形晶格結構，通過公式（3）輸出由隨形連續的梯度異形晶格結構填充的異形夾層結構的隱式模型。
20、進一步地，通過下述公式得到修正后的插值系數：
21、，(20)
22、其中，是修正后的插值系數。
23、進一步地，通過下述公式構建隨形連續的梯度異形晶格結構：
24、，
25、，???????????????????????????????(21)
26、其中，是隨形連續的梯度異形晶格結構的全局水平集函數，c是第c個異形晶格結構，n是異形晶格結構的數量，x是物理空間內所有異形晶格結構的集合。
27、進一步地，通過對相對密度樣本點進行多項式插值計算插值系數與長寬比以及插值后相對密度之間的關系，從而建立幾何代理模型。
28、進一步地，基于生成的隱式模型，通過增材制造生成異形夾層結構。
29、與現有技術相比，本專利技術至少可實現如下有益效果之一：
30、1、?本專利技術通過構建由隨形連續的梯度異形晶格結構填充的異形夾層結構的隱式模型，并基于所述隱式模型通過增材制造生成異形夾層結構，解決了目前缺乏梯度晶格填充異形夾層結構的多尺度優化設計方法的問題。
31、2、?本專利技術通過插值系數將少量控制點密度分布擴展至大量參數點密度分布，并通過nurbs基函數修正插值系數，基于修正后的插值系數更新lsf函數，實現了局部lsf函數之間的光滑過渡，從而實現了晶格結構之間的連續連接，有效解決了正交包絡下梯度晶格結構之間的連通性問題，顯著提高了異形夾層結構設計的質量以及在工程中的可制造性。
32、3、本專利技術通過構建本構代理模型，可以快速評估不同關鍵幾何參數下異形晶格結構的力學性能，避免了逐一計算每個晶格的本構矩陣，降低了計算量，提高了計算效率。并且，通過多項式插值，實現對不同相對密度、長寬比和偏轉角的異形晶格結構的力學特性進行高效、精準的預測。
33、4、本專利技術通過水平集函數隱式地構建各種形狀的異形晶格結構，不僅可以得到各種拓撲形式的異形晶格結構，還可以通過插值得到拓撲構型相同但特征尺寸不同的梯度異形晶格結構。本專利技術通過nurbs基函數修正梯度異形晶格結構對應的水平集函數構建隨形變化的異形晶格結構，實現了晶格結構與異形夾層結構之間的自適應匹配。
34、本專利技術中，上述各技術方案之間還可以相互組合，以實現更多的優選組合方案。本專利技術的其他特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分優點可從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本專利技術而了解。本專利技術的目的和其他優點可通過說明書以及附圖中所特別指出的內容中來實現和獲得。
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1.一種異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，構建異形晶格結構的幾何空間，通過對相對密度樣本點進行多項式插值得到插值后相對密度樣本點對應的本構矩陣，構建異形晶格結構的本構矩陣空間，確定從所述幾何空間到本構矩陣空間的映射關系從而建立本構代理模型。
3.根據權利要求1所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，將本構代理模型輸入CAD軟件，基于NURBS基函數構建等幾何模型，通過k-精化對等幾何模型進行細化，定義邊界條件和約束，建立密度分布函數，以最小化異形夾層結構柔度為目標建立目標函數，基于密度分布函數進行靈敏度分析，通過MMA算法迭代求解目標函數獲得最優的密度分布。
4.根據權利要求1所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，通過公式（8）-（10）計算插值系數與長寬比及相對密度樣本點之間的關系：
5.根據權利要求4所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，單個異形晶格結構的隱式建模表達式為：
6.根據
7.根據權利要求6所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，通過下述公式得到修正后的插值系數：
8.根據權利要求6所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，通過下述公式構建隨形連續的梯度異形晶格結構：
9.根據權利要求1所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，通過對相對密度樣本點進行多項式插值計算插值系數與長寬比以及插值后相對密度之間的關系，從而建立幾何代理模型。
10.根據權利要求1所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，基于生成的隱式模型，通過增材制造生成異形夾層結構。
...【技術特征摘要】
1.一種異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，構建異形晶格結構的幾何空間，通過對相對密度樣本點進行多項式插值得到插值后相對密度樣本點對應的本構矩陣，構建異形晶格結構的本構矩陣空間，確定從所述幾何空間到本構矩陣空間的映射關系從而建立本構代理模型。
3.根據權利要求1所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，將本構代理模型輸入cad軟件，基于nurbs基函數構建等幾何模型，通過k-精化對等幾何模型進行細化，定義邊界條件和約束，建立密度分布函數，以最小化異形夾層結構柔度為目標建立目標函數，基于密度分布函數進行靈敏度分析，通過mma算法迭代求解目標函數獲得最優的密度分布。
4.根據權利要求1所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，通過公式（8）-（10）計算插值系數與長寬比及相對密度樣本點之間的關系：
5.根據權利要求4所述的異形結構多尺度優化智能設計方法，其特征在于，單個異形晶格結構的隱式...
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