3D打印中的結構優(yōu)化問題研究.pdf

1、傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程一般可分為兩階段:產(chǎn)品設計和制造。它們由設計工程師和制造工程師來分別負責，于是逐步形成了“我負責設計，你負責制造”的相對獨立模式。這種獨立模式下，設計與制造兩階段之間缺乏一些溝通與聯(lián)系，導致了最終開發(fā)產(chǎn)品存在修改多，成本高，周期長，質(zhì)量低等問題。為了避免這些問題，面向制造的設計(Design for manufacturing，DFM)模式應運而生。DFM指在產(chǎn)品設計階段就從制造對產(chǎn)品的要求來考慮設計，使所設計的產(chǎn)品具

2、有良好的制造性能，從而避免在產(chǎn)品制造中可能會出現(xiàn)的一些成本、制造和質(zhì)量等問題。
　　3D打印在面向制造的設計領域能很好地發(fā)揮其優(yōu)勢，它被認為是第三次工業(yè)革命的重要標志之一。它以3D數(shù)字模型為輸入，利用可粘合、可固化等材料，通過分層打印、堆積成形的方式來生成所需產(chǎn)品，因此，它雖稱“打印”，實質(zhì)是以3D模型為基礎的“制造”。它有效地打通了數(shù)字化模型設計與真實產(chǎn)品制造之間的界限，將產(chǎn)品設計與制造兩階段更緊密地關聯(lián)在一起。因此，如何發(fā)揮3

3、D打印的技術優(yōu)勢，實現(xiàn)面向制造的設計，將對促進我國產(chǎn)品開發(fā)模式轉(zhuǎn)型、制造業(yè)升級有重要意義。
　　在這一背景下，本文在總結3D打印中幾何計算相關研究成果的基礎上，對3D打印中的結構優(yōu)化問題進行了研究。第二章對3D打印中結構優(yōu)化相關研究成果，從節(jié)省材料、強度、穩(wěn)定性和支撐優(yōu)化等四方面進行了分類介紹，總結分析了結構優(yōu)化中現(xiàn)有研究成果的一些優(yōu)點和不足。
　　第三章從節(jié)省材料角度出發(fā)，考慮如何能在不犧牲打印物體表面質(zhì)量和滿足強度要求的

4、條件下，通過結構優(yōu)化來減少打印材料消耗，降低打印成本。針對這一問題，我們給出一種面向體積極小的拓撲優(yōu)化算法。該算法采用傳統(tǒng)漸進結構優(yōu)化方法來優(yōu)化模型，同時根據(jù)模型力學計算所得的最大Von Mises應力與材料允許應力之比來引導模型體積減小進化。同時，我們引入多分辨率技術，由粗網(wǎng)格再到細網(wǎng)格，進行優(yōu)化計算，有效地提高了計算效率。與現(xiàn)有其他給定結構模式的方法相比，我們的方法所得優(yōu)化結果能更好地體現(xiàn)模型荷載受力的傳遞路徑。
　　針對許多

5、個人用戶設計模型所產(chǎn)生的結構缺陷或強度問題，第四章給出一種旨在幫助個人用戶在設計模型的同時能進行結構分析和優(yōu)化的方法。該方法沒有采用有較大計算代價的有限元來進行結構分析，而是采用計算代價較低的截面結構分析方法。同時我們引入骨架工具來輔助模型編輯，對編輯后的模型利用骨架來進行截面結構分析。根據(jù)分析結果，對模型上的脆弱區(qū)域以骨架為工具來優(yōu)化修正，以增強這些區(qū)域的強度。實驗結果表明，該方法具有良好的實用性。最后一章對我們的工作進行了總結和展望