一种基于增材制造的液压件多元排布设计方法及系统与流程

本发明涉及液压件排布设计领域，具体来说，涉及一种基于增材制造的液压件多元排布设计方法及系统。

背景技术：

1、随着工业4.0和智能制造的快速发展，液压系统作为工业装备的重要动力源和执行机构，在各行各业得到了广泛应用。传统的液压系统设计主要依赖工程师的经验，难以满足日益复杂的应用场景和性能要求；近年来，计算机辅助设计和仿真技术的进步为液压系统的优化设计提供了新的思路和方法，特别是随着3d打印等增材制造技术的成熟，为液压件的个性化定制和一体化集成设计带来了新的可能性。如何充分利用增材制造的优势，实现液压系统的轻量化、紧凑化和高性能化，成为当前研究的热点问题。

2、目前，液压系统的设计优化主要集中在单个液压元件的结构优化和系统参数优化方面；常用的方法包括拓扑优化、参数化设计、遗传算法等，这些方法在一定程度上提高了液压系统的性能，但主要局限于传统制造工艺的约束。随着增材制造技术的应用，一些研究开始探索基于3d打印的液压阀块一体化设计方法，通过将多个液压元件集成在一个3d打印的阀块中，可以显著减少连接件数量，降低泄漏风险，提高系统的紧凑性；然而，这些研究主要关注单个阀块的设计，缺乏对整个液压系统多个功能部件的统筹考虑。

3、现有的液压系统设计方法存在以下不足：首先，传统的设计方法受制于常规制造工艺的限制，难以充分发挥增材制造的自由度优势；其次，现有的基于3d打印的液压件设计主要针对单个部件进行优化，缺乏系统层面的整体考虑；再次，液压系统中多个液压部件的空间布局优化问题尚未得到充分研究，难以实现系统的最优化设计。这些问题导致液压系统的性能提升受到限制，难以满足轻量化、紧凑化和高性能化的发展需求，因此，亟需提出一种能够充分利用增材制造优势，实现多个液压件协同优化的排布设计方法。

4、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于增材制造的液压件多元排布设计方法及系统，具备结合水滴算法与多目标优化理论，有效解决了液压件布局优化问题，能够同时考虑多个性能指标，实现液压件布局的帕累托最优解集，提高液压系统的综合性能的优点，进而解决现有技术中传统设计方法受制于常规制造工艺的限制，液压系统中多个液压部件的空间布局优化问题尚未得到充分研究，难以实现最优化设计的问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、根据本发明的一个方面，提供了一种基于增材制造的液压件多元排布设计方法，该基于增材制造的液压件多元排布设计方法包括以下步骤：

4、s1、基于液压系统功能需求，确定液压件多元排布的优化目标和约束；

5、s2、基于水滴算法，构建多元排布优化模型，并确定液压件的最优排布方案；

6、s3、基于增材制造工艺约束，调整最优排布方案，并确定液压件设计参数；

7、基于水滴算法，构建多元排布优化模型，并确定液压件的最优排布方案包括以下步骤：

8、s21、基于水滴算法原理，构建多元排布优化模型；

9、s22、基于多元优化排布模型，结合性能评估函数与自适应流速调整机制，生成液压件空间排布的帕累托最优解集；

10、s23、利用决策矩阵和模糊评价方法，从帕累托最优解集中选择最优排布方案。

11、进一步的，基于液压系统功能需求，确定液压件多元排布的优化目标和约束包括以下步骤：

12、s11、基于液压系统功能需求，确定液压件的关键性能指标；

13、s12、基于关键性能指标，识别影响液压件性能的主要设计变量；

14、s13、根据关键性能指标与主要设计变量，确定液压件多元排布的优化目标函数与约束条件；

15、优化目标函数的表达式为：

16、；

17、式中， v1、 v2、 v3分别为效率指标、流量指标、压力损失指标的权重系数； η与 η tar分别表示效率指标与效率指标的目标值； q与 q tar分别表示流量指标与流量指标的目标值；δ p与δ p tar分别表示压力损失指标与压力损失指标的目标值；

18、约束条件包括空间约束、干涉约束及制造约束；

19、空间约束的表达式为：

20、；

21、式中， x、 y、 z分别表示液压件在 x轴、 y轴、 z轴方向上的位置坐标； xmin、 xmax分别表示液压件在 x轴方向上能够达到的最小位置与最大位置； ymin、 ymax分别表示液压件在 y轴方向上能够达到的最小位置与最大位置； zmin、 zmax分别表示液压件在 z轴方向上能够达到的最小位置与最大位置；

22、干涉约束的表达式为：

23、；

24、式中， d min表示第 i个液压件与第 j个液压件之间的最小距离； d if表示设定的最小安全距离； x i、 y i、 z i分别表示第 i个液压件在 x轴、 y轴、 z轴方向上的坐标； x j、 y j、 z j分别表示第 j个液压件在 x轴、 y轴、 z轴方向上的坐标；

25、制造约束的表达式为：

26、；

27、式中， t表示液压件的壁厚； t min表示液压件的最小壁厚； θ表示液压件的自支撑角度； θ min表示液压件的最小自支撑角度。

28、进一步的，基于水滴算法原理，构建多元排布优化模型包括以下步骤：

29、s211、基于优化目标函数，定义液压件的布局向量和调整向量；

30、s212、基于液压件布局向量，构建液压件性能评估函数和布局优化函数；

31、s213、根据液压件性能评估函数与液压件布局向量，设计优化规则并建立多元排布优化模型。

32、进一步的，基于多元优化排布模型，结合性能评估函数和自适应流速调整机制，得到液压件空间排布的帕累托最优解集包括以下步骤：

33、s221、基于多元优化排布模型，初始化水滴群体，并根据液压件性能评估函数迭代更新水滴的位置和速度；

34、s222、利用水滴算法的路径选择规则和非支配排序，更新帕累托最优解集；

35、s223、利用自适应流速调整机制优化多元优化排布模型，直至满足收敛准则。

36、进一步的，利用决策矩阵和模糊评价方法，从帕累托最优解集中选择最优排布方案包括以下步骤：

37、s231、基于帕累托最优解集，建立决策矩阵；

38、s232、基于决策矩阵，利用加权和法，计算每个解的综合性能指标；

39、s233、利用模糊综合评价，评估综合性能指标，并根据评估结果，选择液压件的最优排布方案。

40、进一步的，基于增材制造工艺约束，调整最优排布方案，并确定液压件设计参数包括以下步骤：

41、s31、基于最优排布方案，进行增材制造工艺适应性分析；

42、s32、利用拓扑优化和参数化设计，确定满足增材制造约束的改进方案；

43、s33、基于改进方案，生成液压件设计参数，液压件设计参数包括增材制造三维模型和工艺参数。

44、进一步的，基于最优排布方案，进行增材制造工艺适应性分析包括以下步骤：

45、s311、基于最优排布方案，建立液压件的三维数字模型；

46、s312、利用切片算法，得到模型在不同打印方向下的层片信息；

47、s313、基于层片信息，计算各打印方向下的工艺评估指标。

48、进一步的，利用拓扑优化和参数化设计，确定满足增材制造约束的改进方案包括以下步骤：

49、s321、基于工艺评估结果，建立参数化优化模型；

50、s322、利用梯度下降法，得到满足制造约束的优化参数；

51、s323、基于优化参数，重构液压件三维模型。

52、进一步的，基于改进方案，生成液压件设计参数包括以下步骤：

53、s331、基于优化后的三维模型，生成增材制造用图纸文件；

54、s332、利用切片算法，得到分层制造数据和支撑结构信息；

55、s333、基于分层数据和设备参数，生成代码指令和打印参数配置文件。

56、根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于增材制造的液压件多元排布设计系统，该基于增材制造的液压件多元排布设计系统包括：

57、功能需求分析模块，用于基于液压系统功能需求，确定液压件多元排布的优化目标和约束；

58、多元排布优化模块，用于基于水滴算法，构建多元排布优化模型，并确定液压件的最优排布方案；

59、增材制造设计调整模块，用于基于增材制造工艺约束，调整最优排布方案，并确定液压件设计参数；

60、其中，功能需求分析模块与多元排布优化模块连接，多元排布优化模块与增材制造设计调整模块连接。

61、本发明的有益效果为：

62、（1）本发明通过结合水滴算法与多目标优化理论，有效地解决了液压件布局优化问题，利用性能评估函数和自适应流速调整机制，能够同时考虑多个性能指标，如布局效率、噪声影响和空间利用率，实现液压件布局的帕累托最优解集，不仅提高了液压系统的综合性能，还增强了设计的灵活性和适应性，为液压系统设计提供了一种全新的优化途径。

63、（2）本发明针对增材制造工艺的特点，进行了专门的工艺适应性分析和设计参数调整，通过拓扑优化和参数化设计，方案确保了液压件设计满足增材制造的工艺约束，如最小壁厚、自支撑角度等，同时优化了支撑材料的使用和打印时间，充分利用了增材制造的设计自由度和制造灵活性，提高了制造效率和产品质量，降低了生产成本。

64、（3）本发明实现了从概念设计到最终制造的无缝衔接，通过生成精确的三维模型、stl文件、分层数据和g代码，方案为增材制造提供了详细的制造指导，简化了从设计到生产的转换过程，减少了传统制造中可能出现的设计-制造迭代，加快了产品开发周期，提高了生产效率，为液压件的快速制造和市场响应提供了有力支持。

65、（4）本发明实现了多个液压件的空间布局协同优化，通过综合考虑液压系统中的多个性能指标，本技术的方案能够实现轻量化、紧凑化和高性能化，满足现代液压系统发展的需求；此外，本技术还特别考虑了增材制造工艺的特点，通过工艺适应性分析和设计参数的精确调整，确保了设计方案不仅在理论上是最优的，而且在实际制造中也是完全可行的，这种从设计到制造的无缝衔接，大大加快了产品开发周期，提高了生产效率，降低了成本，为液压系统设计和制造提供了一种创新、高效且实用的解决方案。