縱深 | 幾何特征演化驅動的多胞結構自支撐拓撲優化設計

摘要

多胞結構是一類具有復雜孔洞特征且兼具特定力學性能的跨尺度結構。多胞結構在設計空間中幾何特征的復雜拓撲關系，增加了其在制造空間中成形難度。本文為突破多胞結構的自支撐特性設計，提出基于幾何特征演化的多胞結構設計方法。從幾何特征出發，研究了桿單元的疊加組合方式，分析了桿單元空間位姿、單胞剛度矩陣、單胞密度之間的映射關系，建立了桿單元幾何特征驅動的二維與三維單胞模型；結合拓撲優化方法，推導了多胞結構的靈敏度，構建了單胞匹配的多胞結構優化模型；結合胞體中桿單元的空間位姿，分析了單胞間共享桿單元以及單胞內獨享桿單元的成形角分布范圍，設計了桿單元成形角匹配的搜索算法，建立了具有自支撐特性的制造體素，實現了多胞結構的自支撐設計。最后通過二維懸臂梁與三維支架的優化實例，詳細說明了多胞結構制造體素構建過程，并利用增材制造設備的模型切片軟件，驗證了所提方法的有效性，為多胞結構的自支撐設計提供了新的理論依據和方法途徑。

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責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 強

審　　核：張　彤

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