(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202110450381.3 (22)申请日 2021.04.25 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 113191077 A (43)申请公布日 2021.07.3 0 (73)专利权人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 田小永　郑子琪　黄一鸣　 (74)专利代理 机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 专利代理师 贺建斌 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 113/10(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (56)对比文件 CN 1027895 33 A,2012.1 1.21 CN 112100774 A,2020.12.18 CN 10743 3713 A,2017.12.0 5 WO 2018094758 A1,2018.0 5.31 US 2005013982 A1,20 05.01.20 WO 20210 55543 A1,2021.0 3.25 何智成等.基 于面光滑有限元的复杂三维结 构拓扑优化. 《中国机 械工程》 .2015,(第07期), 864-870. 田小永等.高性能树脂 基复合材 料轻质结构 3D打印与性能研究. 《航空制造技 术》 .2017,(第 10期),34- 39. 审查员 王茜 (54)发明名称 一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含 量拓扑优化方法 (57)摘要 一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含 量拓扑优化方法， 先建立连续纤维复合材料拓扑 优化模型， 再建立伪密度与纤维含量的映射关 系， 定义材料属性， 然后建立有限元分析模型， 计 算目标函数及其灵敏度， 再优化更新设计变量， 判断迭代是否满足收敛条件， 若不满足收敛条件 则继续迭代， 若满足则停止循环得到最终拓扑优 化结构； 最后完成3D打印样件制备； 本发明在已 有的连续纤维角度拓扑优化算法基础上， 采用将 结构伪密度与纤维含量一一对应的转换方法， 实 现同时调控单元密度、 纤维角度、 纤维含量三个 变量， 进而使连续纤维增强复材拥有其最优的结 构拓扑和与之相适应的最 适合的材料分布。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 113191077 B 2022.12.09 CN 113191077 B 1.一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： 1)建立连续纤维复合材料拓扑优化模型： 根据优化目标， 确定设计域， 并将设计域离散 为n个有限元单元； 同时初始化设计变 量， 定义ρi为第i个单元对 应的伪密度， θi为第i个单元 对应的纤维角度， 将单 元伪密度ρi和纤维角度 θi同时作为设计 变量； 2)建立伪密度与纤维含量的映射关系， 定义材料属性： 对离散后的有限元结构进行前 处理， 建立伪密度与纤维含量的映射关系， 得到每个单元 的纤维含量值， 并结合纤维角度， 带入各向异性材料本构模型中， 得到每个单元 的材料属 性， 包括材料 的纵向和横向弹性模 量、 泊松比和面内剪切模量； 3)建立有限元分析模型： 对步骤2)得到的每个单元结构刚度进行叠加与变密度惩罚， 得到节点的虚拟刚度， 对结构进行有限元分析求 解， 得到结构节点 位移； 4)计算目标函数及其灵敏度： 根据步骤2)得到的结构刚度和步骤3)得到的结构节点位 移， 利用数值计算软件求解拓扑优化结构的目标函数， 即结构应变能； 以及结构灵敏度， 即 目标函数对设计 变量的导数， 并对密度灵敏度进行 过滤； 5)优化更新设计变量： 选择拓扑优化求解方法， 根据步骤4)计算出的目标函数及其灵 敏度的值， 迭代更新设计 变量， 得到新的单 元伪密度ρi'和纤维角度 θi'； 6)判断迭代是否满足收敛条件： 分别判断步骤5)中的单元伪密度和纤维角度 是否同时 满足收敛条件 max( ρi'‑ρi)<0.001&max( θi'‑θi)<0.001， 即前后两次单元伪密度和纤维角度 变化同时小于阈值0.001； 若不满足收敛条件则继续迭代， 若满足则停止循环得到最 终拓扑 优化结构； 7)完成3D打印样件制备： 将步骤6)得到的最终拓扑优化结构按生成的纤维角度连起 来， 生成3D打印路径， 同时将步骤2)得到的纤维含量值结合连续纤维增强3D打印工艺， 计算 出打印时的各项工艺参数， 得到3D打印指令文件， 最终完成变纤维含量的连续纤维拓扑优 化结构的制备。 2.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法， 其特征在于： 所述的步骤1)、 步骤2)、 步骤3)中采用的软件为ANSYS、 ABAQUS、 MATLAB、 COMSOL、 icepark、 fl otherm、 Micro Wave Studio、 HFSS或Mafia。 3.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法， 其特征在于： 所述的步骤2)中伪 密度与纤维含量的映射关系为最小 ‑最大规范化映射关系、 零‑均值规范化映射关系或Sigmo id函数映射关系。 4.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法， 其特征在于： 所述的步骤4)、 步骤5)、 步骤6)中数值计算采用的软件为MATLAB、 C#、 C++或 Fortran。 5.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法， 其特征在于： 所述的步骤5)中拓扑优化求解方法为优化准则法、 移动渐进线法、 序列线性规 划法、 序列二次规划法、 内点法、 有效集法或信赖域有效算法。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 113191077 B 2一种基于连续纤维复材 3D打印的变纤维含量拓扑优化方 法 技术领域 [0001]本发明涉及连续纤维增强复合材料3D打印技术领域， 具体涉及一种基于连续纤维 复材3D打印的变纤维含量拓扑优化方法。 背景技术 [0002]纤维增强复合材料作为一种各向异性材料， 与金属合金材料相比， 具有高比强度、 高比模量、 可设计强及多功能融合等优点， 被广泛应用于航空航天、 高速列车等领域， 成为 制备高性能结构的先进 材料之一。 在航空航 天领域中， 复合材料具有的高比强度、 高比模量 的特点， 在降低飞机的整体重量， 进而降低飞机的燃油 消耗， 同时降低碳排放的能力上大大 优于传统的金属材料， 是航空航天领域的理想材料， 对于实现航空航天领域方面的结构高 性能化、 轻量化、 高使用性能以及成本检索等具有至 关重要的作用， 是航 天航空等领域 发展 的重要方向。 为了实现上述需求， 有 学者提出变刚度层合板， 即连续纤维增强复合材料中每 个单层中的纤维方向、 纤维含量等属性可变的层合板， 以更好地提高结构的刚度、 强度等性 能； 同时也有很多学者追求结构构型设计， 通过拓扑优化等结构设计方法在保证性能的同 时达到轻量化的效果。 [0003]然而， 单方面进行材料研究并不能满足完全航空航天的严苛要求， 纯粹的创新结 构构型在近几年的研究中也显示一定局限性。 因而 结构 /材料多尺度并行设计作为新的设 计理念， 即在宏观结构进行拓扑结构设计， 同时在微观材料进行纤维角度与纤维含量设计 理念， 逐渐引起了学者的关注和重视。 不仅如此， 宏观拓扑与微观材料的多尺度一体化设 计， 为进一步开展结构功能一体化设计和多功能协同设计提供了更广阔的发展空间和可能 性， 未来更高效的设计势必是考虑宏观拓扑和微观材料选择的设计。 因此， 考虑结构与材料 的耦合， 基于宏观结构与微观材料多尺度并行设计的理念实现复合材料结构的优化与制 造， 成为实现航空航天运载装备高性能与轻量 化设计的新途径。 [0004]然而， 受制于设计手段与制造工艺的限制， 连续纤维复材的结构  /材料并行设计 方法与自动化制造技 术长时间处于 探索阶段， 主 要缺点在于： [0005](1)尽管已有较为成熟的连续纤维角度拓扑优化求解算法， 但是该算法并未将纤 维含量作为设计变量求解。 同时已有的将结构密度与纤维角度、 纤维含量同时作为设计变 量的求解算法， 不仅耗费很大的时间成本， 而且 难以达到全局最优解。 [0006](2)拓扑优化结果多呈树枝状结构， 目前少有针对连续纤维增强复合材料拓扑优 化结果的路径规划方法。 并且受制 于制造手段， 针对连续纤维增强复材 的拓扑优化结果无 法被制造应用， 导 致设计方法无法得到实验 验证。 发明内容 [0007]为了克服上述现有技术的缺点， 本发明的目的在于提供一种基于连续纤维复材3D 打印的变纤维含量拓扑优化方法， 在已有的连续纤维角度拓扑优化算法基础上， 采用将结 构伪密度与纤维含量一一对应的转换方法， 实现同时调控单元密度、 纤维角度、 纤维含量三说　明　书 1/4 页 3 CN 113191077 B 3