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隐式曲面梯度多孔结构拓扑优化设计方法 被引量：4
1
作者 孙鹏飞 张跃 +2 位作者 尹鹏 刘宏磊 李宝童 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期85-95,共11页
为实现多孔单胞构型对多孔结构功能特性的调控,提出隐式曲面梯度多孔结构拓扑优化设计方法。在三周期极小曲面隐式水平集函数中引入罚函数,保证小体积分数下曲面的连续性。对惩罚的隐式函数线性加权构造混合水平集函数,实现多孔结构混... 为实现多孔单胞构型对多孔结构功能特性的调控,提出隐式曲面梯度多孔结构拓扑优化设计方法。在三周期极小曲面隐式水平集函数中引入罚函数,保证小体积分数下曲面的连续性。对惩罚的隐式函数线性加权构造混合水平集函数,实现多孔结构混合参数化建模。采用数值均匀化法评估多孔结构的宏观等效弹性属性,并通过径向基插值函数构建等效弹性张量关于混合权重因子的显式表达式。以混合权重因子为设计变量,建立柔度最小化拓扑优化模型并采用优化准则法求解。引入Heaviside函数建立高阶连续插值模型,保证梯度多孔结构的高阶连续性。数值案例和实验结果表明,相比于均布多孔结构,所设计的梯度多孔结构的鲁棒性和承载特性更优,且不同单胞构型的梯度多孔结构功能特性相异。所提方法能有效应用三周期极小曲面梯度多孔结构设计,实现多孔单胞构型对结构功能特性的调控,丰富了多孔结构的力学内涵。 展开更多
关键词 拓扑优化 三周期极小曲面 梯度多孔结构 数值均匀化法 混合水平集函数
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承载散热一体化的功能梯度多孔结构拓扑优化设计 被引量：8
2
作者 杜义贤 张跃 +3 位作者 付君健 田启华 周祥曼 王林军 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第7期1141-1150,共10页
针对多功能结构承载散热一体化需求,提出面向功能梯度多孔结构的拓扑优化设计方法.首先基于三周期极小曲面实现C0连续梯度多孔结构建模;然后引入数值均匀化法计算多孔结构宏观等效弹性张量和宏观等效热传导张量;最后以多孔结构体积分数... 针对多功能结构承载散热一体化需求,提出面向功能梯度多孔结构的拓扑优化设计方法.首先基于三周期极小曲面实现C0连续梯度多孔结构建模;然后引入数值均匀化法计算多孔结构宏观等效弹性张量和宏观等效热传导张量;最后以多孔结构体积分数为设计变量,建立散热弱度和结构柔度最小化加权多目标拓扑优化模型,采用优化准则法求解.数值算例结果表明,相比于单目标拓扑优化设计,该方法通过牺牲较低的散热性能换取较大的承载性能提升,显著地提高了多孔结构的综合性能. 展开更多
关键词 拓扑优化 极小曲面 功能梯度多孔结构 数值均匀化法 承载散热一体化
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选区激光熔化Ti6Al4V梯度多孔结构工艺优化 被引量：4
3
作者 王靖 曾寿金 +2 位作者 魏青天 何伟辉 叶建华 《精密成形工程》 北大核心 2023年第9期17-27,共11页
目的获得成形质量良好的医用梯度多孔金属种植体。方法基于响应面法(RSM)建立选区激光熔化成形工艺参数(激光功率、扫描速度及扫描间距)与样件致密度、表面粗糙度及孔隙率差值的数学模型。利用获取的致密度、表面粗糙度和孔隙率差值对... 目的获得成形质量良好的医用梯度多孔金属种植体。方法基于响应面法(RSM)建立选区激光熔化成形工艺参数(激光功率、扫描速度及扫描间距)与样件致密度、表面粗糙度及孔隙率差值的数学模型。利用获取的致密度、表面粗糙度和孔隙率差值对样件成形质量进行表征,通过响应面方差分析获取SLM不同成形工艺参数对样件致密度、表面粗糙度和孔隙率差值的影响,得到成形质量最佳的工艺参数。结果样件成形质量最佳的SLM成形工艺参数如下:激光功率为240 W,扫描速度为1400 mm/s,扫描间距为0.08 mm。优化后样件成形质量的预测值如下:致密度为97.97%,表面粗糙度均值为6.88μm,孔隙率差值为2.97%。试验结果表明,预测值与试验值基本吻合,所建立的数学模型可以准确预测样件成形质量。结论通过响应面法试验设计及方差回归分析,确定了Ti6Al4V梯度多孔金属种植体SLM成形的最佳工艺参数。 展开更多
关键词 选区激光熔化 梯度多孔结构 成形质量 工艺优化 响应面分析
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基于计算均匀化方法的梯度多孔结构优化设计 被引量：2
4
作者 陈炼雄 肖奥宇 刘辉 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第6期1055-1064,共10页
多孔结构凭借轻量化、高比强度等优越性能,在现代工业领域受到越来越多的关注。增材制造技术的快速发展,使得具有复杂构型的多孔结构的制备成为可能,进一步促进了多孔结构设计方法的进步。多孔结构设计方法主要有尺度分离和尺度关联两... 多孔结构凭借轻量化、高比强度等优越性能,在现代工业领域受到越来越多的关注。增材制造技术的快速发展,使得具有复杂构型的多孔结构的制备成为可能,进一步促进了多孔结构设计方法的进步。多孔结构设计方法主要有尺度分离和尺度关联两种途径,本研究从尺度分离的思想出发,基于计算均匀化方法,针对随机(两种维诺型)和非随机(方框型)梯度多孔结构,发展了多尺度优化设计方法。该方法主要包括3个步骤:微观尺度微结构建模分析(涵盖微结构几何生成、等效物理量的计算、几何参数与各物理量之间映射关系的建立)、宏观尺度结构优化和全尺度多孔结构几何重构。该方法具有较高的计算效率,同时保证了相邻微结构之间的完美连接。利用贴体三角形网格划分,建立多孔结构全尺度有限元模型,以方框型梯度多孔结构和两种维诺型梯度多孔结构为例,开展了多孔结构尺寸效应分析及三点弯曲梁数值试验,验证了本研究方法的有效性和梯度多孔结构的优越性,研究表明多孔结构相对于单尺度结构具有较好的承载能力和延展性。 展开更多
关键词 梯度多孔结构 多尺度优化 计算均匀化 尺度分离 尺寸效应
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不同梯度变化方式的不规则多孔结构设计与力学性能分析 被引量：5
5
作者 汤永锋 路平 +4 位作者 刘斌 江开勇 颜丙功 刘嘉伟 韩伟 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第23期2859-2866,共8页
基于Voronoi图设计了4种不同梯度变化方式的不规则多孔结构,通过光固化成形工艺制备了这4种梯度多孔结构。对这4种梯度多孔结构分别进行了纵向(载荷方向平行于梯度方向)和横向(载荷方向垂直于梯度方向)压缩实验,研究其变形特点和力学性... 基于Voronoi图设计了4种不同梯度变化方式的不规则多孔结构,通过光固化成形工艺制备了这4种梯度多孔结构。对这4种梯度多孔结构分别进行了纵向(载荷方向平行于梯度方向)和横向(载荷方向垂直于梯度方向)压缩实验,研究其变形特点和力学性能。结果表明,梯度多孔结构在横向压缩时的变形特点与均匀多孔结构相似,纵向压缩时则表现出逐层坍塌的变形特点。在孔隙率相近的情况下,不同的梯度变化方式能够影响纵向压缩时的力学性能,对横向压缩的力学性能基本没有影响。降低梯度多孔结构的平均孔隙率可以提高结构力学性能。最后通过等应力复合模型和Voigt模型预测了梯度多孔结构纵向和横向压缩的弹性模量,预测结果与实验结果的相对误差基本都在10%以内。 展开更多
关键词 VORONOI图 梯度多孔结构 变形特点 力学性能
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基于k-nearest算法的增强型正交各向异性多孔结构设计 被引量：1
6
作者 曹伟 蔡和伦 +2 位作者 谢卓尊 刘斌 江开勇 《计算机集成制造系统》 EI CSCD 北大核心 2022年第12期3789-3804,共16页
针对各向异性多孔结构设计复杂、力学性能可控性低等问题,提出一种基于k-nearest算法的增强型正交各向异性多孔结构设计方法。首先,通过站点密度场驱动随机采样算法,在设计域内生成站点。然后提出一种基于黎曼距离的改进k-nearest算法,... 针对各向异性多孔结构设计复杂、力学性能可控性低等问题,提出一种基于k-nearest算法的增强型正交各向异性多孔结构设计方法。首先,通过站点密度场驱动随机采样算法,在设计域内生成站点。然后提出一种基于黎曼距离的改进k-nearest算法,叠加全域方向场,生成2.5D/3D增强型正交各向异性多孔结构。该方法不仅可以通过黎曼椭圆/球的拉伸比例控制局部正交各向异性程度,通过方向场控制各向异性的朝向,还可以通过站点密度场调控多孔结构力学性能的梯度分布。最后,分别通过数值均质化和压缩实验对3D打印的多孔结构的力学性能、失效状态、随机性和弹性设计空间进行分析。实验结果表明,采用所提方法设计的正交各向异性多孔结构具有更优良的弹性性能和更大的弹性设计空间。 展开更多
关键词 梯度多孔结构 正交各向异性 数值均质化 力学性能
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Sphere梯度孔结构力学性能有限元分析 被引量：7
7
作者 石志良 黄琛 +2 位作者 卢小龙 李锋 孙允龙 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第3期339-347,共9页
建立不同孔径分布的钛合金梯度多孔结构的三维有限元模型,对力学性能进行分析。使用Rhino 5.0和ABAQUS 6.1软件,分别建立sphere、sphere_line、sphere_plane、sphere_point等4种按不同梯度分布的多孔结构有限元模型。对模型分别加载200... 建立不同孔径分布的钛合金梯度多孔结构的三维有限元模型,对力学性能进行分析。使用Rhino 5.0和ABAQUS 6.1软件,分别建立sphere、sphere_line、sphere_plane、sphere_point等4种按不同梯度分布的多孔结构有限元模型。对模型分别加载200、400、600、800、1000 N的力,加载力作用于上表面,方向垂直于表面向下,选定下表面为固定约束,计算等效应力及最大主应力。在加载力相同的情况下,sphere_plane梯度孔模型的最大主应力及最大等效应力最大;其次为sphere_point梯度孔模型,较sphere_plane梯度孔模型小42.49%和23.61%;sphere_line梯度孔模型再次之,较sphere_plane梯度孔模型小47.60%和33.12%;sphere无梯度孔模型的最大主应力及最大等效应力最小,较sphere_plane梯度孔模型小68.44%和54.13%。在4种不同梯度孔径分布的多孔结构中,sphere无梯度孔结构的实际受力最小、承载能力最好,其次是sphere_line梯度孔结构,再次是sphere_point梯度孔结构次之,sphere_plane梯度孔结构实际受力最大,其承载能力相比前3种要差。最后通过快速原型对设计出的4种模型进行制备,得到多孔钛合金实体,并对实体进行力学性能测试实验,得出的结论可验证数值模拟分析结果的可靠性。该研究结果可为多孔钛合金植入体设计以及临床应用提供相关设计参考和理论依据。 展开更多
关键词 梯度多孔结构 计算机辅助设计 植入物 有限元分析 力学性能
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基于三周期极小曲面的龙伯透镜设计
8
作者 高羡明 杨存磊 +2 位作者 赵逸飞 卢少辉 张跃 《机械设计》 CSCD 北大核心 2024年第11期50-57,共8页
基于三周期极小曲面多孔结构设计并采用3D打印技术制造了一种工作在X波段的龙伯透镜天线。首先,对I-WP型三周期极小曲面进行多孔结构的连续化梯度建模;然后,通过HFSS仿真软件获得不同体积分数的多孔结构的S参数,并基于S参数反演法得到... 基于三周期极小曲面多孔结构设计并采用3D打印技术制造了一种工作在X波段的龙伯透镜天线。首先,对I-WP型三周期极小曲面进行多孔结构的连续化梯度建模;然后,通过HFSS仿真软件获得不同体积分数的多孔结构的S参数,并基于S参数反演法得到不同体积分数的等效介电常数并对两者的结果进行拟合;最后,建立10 mm的离散梯度单元,得到了所需的梯度变化介电常数。根据以上分析设计了实际直径180 mm的龙伯透镜,通过CST仿真软件得到龙伯透镜天线的性能参数,与实测数据基本吻合。 展开更多
关键词 三周期极小曲面 连续梯度多孔结构 S参数反演法 梯度介电常数 龙伯透镜
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