面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构及其设计方法

本发明涉及轻量化结构，尤其涉及一种面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构及其设计方法。

背景技术：

1、随着我国各个领域工程技术的蓬勃发展，航空航天，汽车工业等领域对结构的轻量化、高性能、多功能等方面提出了更高的要求。三维点阵结构可以通过调整微结构几何，达到调节点阵结构力学性能的效果，在复杂结构轻量化设计中具有广泛的应用前景。在实际工程应用中，往往在点阵芯层外包覆蒙皮形成蒙皮点阵结构，在充分发挥点阵结构的优异性能的前提下对点阵芯层提供保护。

2、由于具有复杂的几何结构，蒙皮-点阵结构往往采用增材制造工艺进行制造，而增材制造过程中需要考虑结构的支撑约束。不同于传统实体结构的支撑结构，蒙皮-点阵结构的内支撑因处于蒙皮-点阵结构内部，并与点阵芯层连接，在增材过程完成后无法去除，而且在结构中起到承载以及蒙皮及芯层间传递载荷的作用。若结构不合理，则会严重影响蒙皮点阵结构的性能。此外，蒙皮点阵结构一般具有较为复杂的几何构型，这使得支撑物的建模更加困难。因此，如何设计面向增材制造的任意复杂空间曲面的支撑结构，成为具有复杂几何结构的增材制造过程中关键问题。面对该问题，申请人在先申请的公开号为cn115495952a，名称为一种面向增材制造的蒙皮点阵结构及结构的内支撑设计方法的中国专利申请中提出了一种解决方案，利用设计好并按尺寸装配的模型为设计基础，通过对蒙皮进行离散，确定支撑点位，得到的内支撑满足打印支撑，保障了上蒙皮与点阵芯层之间的载荷传递的同时尽量减少了对点阵芯层力学性能分布的影响。并且，由于在建模过程中对蒙皮几何进行了空间离散，提取节点的空间坐标，可以方便地转化为有限元模型进行计算或用于制备，为产品的设计及仿真计算带来了便利，具有十分重要的工程应用价值。但该方案中支撑结构与点阵芯层是进行分别设计，缺少一体化考虑，棱锥支撑区域刚度增加，使棱锥支撑与点阵芯层连接处产生力的突变，易导致结构破坏。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的是提供一种面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构及其设计方法，实现蒙皮点阵结构的支撑承载一体化设计，解决背景技术中存在的至少一个问题。

2、本发明的第二个目的是提供一种一体化自支撑蒙皮点阵结构，能够较好地保证蒙皮与点阵芯层间的载荷传导。

3、为了实现上述第一个目的，第一方面，本发明提供了一种面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，包括以下步骤：

4、以正交、均匀排布六面体单元对蒙皮点阵结构的三维设计域空间进行离散；

5、离散后，对每一个离散单元进行判断并分类为：边界六面体和非边界六面体；

6、将所述边界六面体均匀划分为多个次级六面体；

7、每个所述非边界六面体和每个所述次级六面体各自均为一个设计域单元，对每个设计域单元进行点阵胞元填充，相邻两个设计域单元内的点阵胞元具有满足支撑需要的连接，所填充的点阵胞元中，任意两个节点之间距离小于增材制造工艺所允许的最大跨距；

8、完成点阵胞元填充后，再以蒙皮作为修剪面对点阵芯层进行修剪；

9、将蒙皮与修剪后的点阵芯层装配，得到面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构的设计模型。

10、可选地，对每个离散单元进行判断并分类的依据为：待支撑面是否穿过待判断的离散单元或者与待判断的离散单元相接触，若穿过该待判断的离散单元或者与待判断的离散单元相接触则分类为边界六面体，若不穿过该待判断的离散单元也不与待判断的离散单元相接触则分类为非边界六面体。

11、可选地，所述点阵胞元填充过程是基于等参变换原理将建模好的基础胞元进行变形，以相匹配的填入待填充的所述设计域单元中。

12、可选地，通过调整次级六面体设计域单元内所填充的点阵胞元的几何参数，使划分前后的边界六面体区域力学性能一致。

13、可选地，所述非边界六面体设计域单元和次级六面体设计域单元内填充不同构型的点阵胞元。

14、在非边界六面体设计域单元和次级六面体设计域单元内填充不同构型的点阵胞元的示例基础上，可选地，所述非边界六面体设计域单元内填充的点阵胞元构型为sc2-bcc；

15、所述次级六面体设计域单元内填充的点阵胞元构型为sc-bcc。

16、可选地，所述非边界六面体设计域单元和次级六面体设计域单元内填充相同构型的点阵胞元，待填充后对不满足支撑要求的部分进行过滤去除。

17、在非边界六面体设计域单元和次级六面体设计域单元内填充相同构型的点阵胞元的示例基础上，可选地，所述非边界六面体设计域单元和所述次级六面体设计域单元内填充的点阵胞元构型均为体心立方胞元。

18、在非边界六面体设计域单元和次级六面体设计域单元内填充相同构型的点阵胞元的示例基础上，可选地，所述非边界六面体设计域单元和所述次级六面体设计域单元内填充的点阵胞元构型均为菱形十二面体胞元。

19、为了实现上述第二个目的，第二方面，本发明还提供了一种一体化自支撑蒙皮点阵结构，由第一方面中任一项所述的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法得到设计模型，再通过增材制造方式加工得到。

20、本发明的上述技术方案具有如下优点：

21、本发明提供的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，通过以正交、均匀排布六面体单元对三维设计域进行离散，然后对每一个离散单元进行判断并分类为边界六面体和非边界六面体，并将边界六面体均匀划分为多个次级六面体，对每个非边界六面体及次级六面体进行点阵胞元填充，所填充的点阵胞元中，任意两个节点之间距离小于增材制造工艺所允许的最大跨距，完成点阵胞元填充后再以蒙皮作为修剪面对点阵芯层进行修剪，将蒙皮与修剪后的点阵芯层装配，得到面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构的设计模型。该设计方法在保证支撑结构几何连接性的前提下，实现了蒙皮点阵自支撑一体化设计，保证了结构内部的支撑结构与点阵芯层的几何连接及载荷传递。整个设计过程相对简单，为增材制造蒙皮点阵结构的设计带来了极大的便利，具有十分重要的工程应用价值。

22、本发明提供的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构，由上述面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法得到设计模型，再通过增材制造方式加工得到，能够较好地保证结构内部的支撑结构与点阵芯层的几何连接及载荷传递。

技术特征：

1.一种面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，其特征在于：对每个离散单元进行判断并分类的依据为：待支撑面是否穿过待判断的离散单元或者与待判断的离散单元相接触，若穿过该待判断的离散单元或者与待判断的离散单元相接触则分类为边界六面体，若不穿过该待判断的离散单元也不与待判断的六面体空间相接触则分类为非边界六面体。

3.根据权利要求1所述的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，其特征在于：所述点阵胞元填充过程是基于等参变换原理将建模好的基础胞元进行变形，以相匹配的填入待填充的所述设计域单元中。

4.根据权利要求1所述的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，其特征在于：通过调整次级六面体设计域单元内所填充的点阵胞元的几何参数，使划分前后的所述边界六面体区域力学性能一致。

5.根据权利要求1所述的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，其特征在于：所述非边界六面体设计域单元和次级六面体设计域单元内填充不同构型的点阵胞元。

6.根据权利要求5所述的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，其特征在于：所述非边界六面体设计域单元和次级六面体设计域单元内填充相同构型的点阵胞元，待填充后对不满足支撑要求的部分进行过滤去除。

8.根据权利要求7所述的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，其特征在于：

9.根据权利要求7所述的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法，其特征在于：

10.一种一体化自支撑蒙皮点阵结构，其特征在于：由如权利要求1～9任一项所述的面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构设计方法得到设计模型，再通过增材制造方式加工得到。

技术总结本发明涉及一种面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构及其设计方法，该方法通过以正交、均匀排布六面体单元对三维设计域进行离散，然后对每个离散单元进行判断并分类为边界六面体和非边界六面体，并将边界六面体均匀划分为多个次级六面体，对每个非边界六面体及次级六面体进行点阵胞元填充，完成填充后再以蒙皮作为修剪面对点阵芯层进行修剪，并在修剪后与蒙皮装配，得到面向增材制造的一体化自支撑蒙皮点阵结构的设计模型。该方法在保证支撑结构几何连接性的前提下，实现自支撑一体化设计，保证结构内部的支撑结构与点阵芯层的几何连接及载荷传递。设计过程相对简单，为增材制造蒙皮点阵结构的设计带来极大便利，具有十分重要的工程应用价值。技术研发人员：贾贺然,段晟昱,雷红帅,王潘丁,赵则昂受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4