3D打印中的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)和制造。它們由設(shè)計(jì)工程師和制造工程師來分別負(fù)責(zé)，于是逐步形成了“我負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，你負(fù)責(zé)制造”的相對(duì)獨(dú)立模式。這種獨(dú)立模式下，設(shè)計(jì)與制造兩階段之間缺乏一些溝通與聯(lián)系，導(dǎo)致了最終開發(fā)產(chǎn)品存在修改多，成本高，周期長(zhǎng)，質(zhì)量低等問題。為了避免這些問題，面向制造的設(shè)計(jì)(Design for manufacturing，DFM)模式應(yīng)運(yùn)而生。DFM指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就從制造對(duì)產(chǎn)品的要求來考慮設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)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(huì)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(shè)計(jì)領(lǐng)域能很好地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，它被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)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(shí)質(zhì)是以3D模型為基礎(chǔ)的“制造”。它有效地打通了數(shù)字化模型設(shè)計(jì)與真實(shí)產(chǎn)品制造之間的界限，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造兩階段更緊密地關(guān)聯(lián)在一起。因此，如何發(fā)揮3

3、D打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)，將對(duì)促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)品開發(fā)模式轉(zhuǎn)型、制造業(yè)升級(jí)有重要意義。
　　在這一背景下，本文在總結(jié)3D打印中幾何計(jì)算相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)3D打印中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題進(jìn)行了研究。第二章對(duì)3D打印中結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)研究成果，從節(jié)省材料、強(qiáng)度、穩(wěn)定性和支撐優(yōu)化等四方面進(jìn)行了分類介紹，總結(jié)分析了結(jié)構(gòu)優(yōu)化中現(xiàn)有研究成果的一些優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)度要求的

4、條件下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來減少打印材料消耗，降低打印成本。針對(duì)這一問題，我們給出一種面向體積極小的拓?fù)鋬?yōu)化算法。該算法采用傳統(tǒng)漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法來優(yōu)化模型，同時(shí)根據(jù)模型力學(xué)計(jì)算所得的最大Von Mises應(yīng)力與材料允許應(yīng)力之比來引導(dǎo)模型體積減小進(jìn)化。同時(shí)，我們引入多分辨率技術(shù)，由粗網(wǎng)格再到細(xì)網(wǎng)格，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，有效地提高了計(jì)算效率。與現(xiàn)有其他給定結(jié)構(gòu)模式的方法相比，我們的方法所得優(yōu)化結(jié)果能更好地體現(xiàn)模型荷載受力的傳遞路徑。
　　針對(duì)許多

5、個(gè)人用戶設(shè)計(jì)模型所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷或強(qiáng)度問題，第四章給出一種旨在幫助個(gè)人用戶在設(shè)計(jì)模型的同時(shí)能進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化的方法。該方法沒有采用有較大計(jì)算代價(jià)的有限元來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，而是采用計(jì)算代價(jià)較低的截面結(jié)構(gòu)分析方法。同時(shí)我們引入骨架工具來輔助模型編輯，對(duì)編輯后的模型利用骨架來進(jìn)行截面結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)模型上的脆弱區(qū)域以骨架為工具來優(yōu)化修正，以增強(qiáng)這些區(qū)域的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有良好的實(shí)用性。最后一章對(duì)我們的工作進(jìn)行了總結(jié)和展望