工件的生产设计方法及工件与流程

1.本发明涉及产品优化设计技术领域，特别涉及一种工件的生产设 计方法及工件。


背景技术：

2.在进行工件优化设计时，对工件的数字模型进行填充增强，有利 于在实现工件轻量化设计的同时，改善工件的强度等性能。
3.相关技术中，一般采用栅格自动填充方式对数字模型进行填充增 强，然而，这样得到的模型，容易出现不连续、不均匀及不完整等缺 陷，影响后续使用。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种更加有效的工件的生产设计方法。
5.为了实现上述目的，本发明所提供的工件的生产设计方法，包括：
6.对工件进行拓扑优化分析；
7.根据拓扑优化的分析结果，在工件的数字模型中填充由多个填充 单元串联形成的链状增强结构，获得工件的重构模型。
8.在一些实施例中，填充单元为块状填充单元。
9.在一些实施例中，块状填充单元包括丁字型单元、十字型单元、 王字型单元、一字型单元、士字型单元、土字型单元、田字型单元、 f型单元、e型单元中的至少之一。
10.在一些实施例中，在工件的数字模型中填充由多个填充单元串联 形成的链状增强结构包括：
11.在工件的实体几何模型中填充链状增强结构；或者，
12.在工件的经过拓扑优化分析的有限元模型中填充链状增强结构。
13.在一些实施例中，获得工件的重构模型包括：
14.将所填充的链状增强结构与工件的数字模型的未被填充的部分进 行并交差运算，形成工件的设计模型；
15.基于工件的设计模型，获得工件的重构模型。
16.在一些实施例中，基于工件的设计模型，获得工件的重构模型包 括：
17.对工件的设计模型进行验证；
18.将通过验证的工件的设计模型确定为工件的重构模型。
19.在一些实施例中，基于工件的设计模型，获得工件的重构模型还 包括：
20.在工件的设计模型未通过验证时，对工件的设计模型重新进行链 状增强结构填充以及验证，直至工件的设计模型通过验证。
21.在一些实施例中，对工件的设计模型进行验证包括：
22.对工件的设计模型进行性能验证。
23.在一些实施例中，对工件的设计模型进行性能验证包括：
24.采用有限元法对工件的设计模型的性能进行验证。
25.在一些实施例中，对工件的设计模型进行验证还包括：
26.对通过性能验证的工件的设计模型进行工艺验证。
27.在一些实施例中，生产设计方法还包括：
28.基于工件的重构模型，生产工件。
29.在一些实施例中，基于工件的重构模型，生产工件包括：
30.基于工件的重构模型，采用增材制造方法生产工件。
31.本发明另一方面还提供了一种工件，其基于本发明的生产生设计 方法得到。
32.在一些实施例中，工件为薄壁工件。
33.在一些实施例中，工件为航空发动机的预旋喷嘴。
34.通过对工件进行拓扑优化，并在拓扑优化分析之后进行链增强结 构填充，有利于得到重量较轻且性能较好的工件，且与栅格自动填充 的方式相比，所得到的模型更加连续、均匀和完整，更方便后续使用。
35.可见，本发明所提供的生产设计方法更加有效。
36.通过以下参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发 明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将 对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见 地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技 术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。
38.图1为本发明一些实施例中生产设计方法的流程示意图。
39.图2为本发明一些实施例中生产设计方法的逻辑框图。
40.图3为本发明一些实施例中预旋喷嘴的剖视图。
41.图4为图3在a处的局部放大示意图。
42.图5为图3在b处的局部放大示意图。
43.图6为图5中链状增强结构的示意图。
44.图7为图6中丁字型单元的立体图。
45.图8为本发明另一些实施例中预旋喷嘴的填充效果图。
46.图9为图8中链状增强结构的示意图。
47.图10为图9中一字型单元的立体图。
48.图11为本发明又一些实施例中预旋喷嘴的填充效果图。
49.图12为图11中链状增强结构的示意图。
50.图13为图12中王字型单元的立体图。
51.图14为本发明再一些实施例中预旋喷嘴的填充效果图。
52.图15为图14中链状增强结构的示意图。
53.图16为图15中十字型单元的立体图。
54.图中：
55.1、预旋喷嘴；2、链状增强结构；31、丁字型单元；32、一字型单 元；33、王字型单元；
34、十字型单元。
具体实施方式
56.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案 进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实 施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实 际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前 提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详 细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说 明书的一部分。
58.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只 要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
59.相关技术中，对工件进行轻量化设计时，栅格单元被自动填充至 工件的数字模型中，以实现对数字模型的填充增强。然而，发明人在 实践过程中发现，这种基于栅格自动填充的轻量化设计方式存在诸多 问题。
60.一方面，栅格是软件自带的填充单元，且栅格填充由软件自动完 成，但软件中的相关算法仍不成熟，自动填充后，栅格与栅格之间， 以及栅格与数字模型的其他部分之间的连接处，经常出现间隙、凹陷 或凸起等，导致模型存在不连续、不均匀及不完整等缺陷。而这种具 有缺陷的模型，难以用于后续性能校核或生产，容易造成校核结果不 准确，或生产失败。
61.另一方面，栅格填充是在有限元模型(或称网格模型)上完成的， 填充得到的模型数据量较大，这一点在工件为大型工件的情况下尤其 明显。而过大的模型数据量，容易造成后续难以进行有限元仿真，引 发仿真程序的崩溃，此外也容易造成后续难以生成增材制造等生产方 式所需的实体几何模型，导致生成实体几何模型耗时较长，并导致增 材制造过程中切片困难，甚至死机等问题。
62.同时，在将栅格填充后的有限元模型转化为增材制造等生产方式 所需要的几何模型时，一般需要由软件基于栅格填充后的有限元模型， 提取表面轮廓，生成闭环的曲面，再填充为实体几何，如果有多个闭 环，需要多次生成，而当有限元模型特征复杂时，还需手动构造曲面， 整个过程较为复杂。并且，为了方便有限元分析，有限元模型中一般 删除了工件的倒角及小孔等，这就意味着即使能基于栅格填充后的有 限元模型获得实体几何模型，所获得的实体几何模型也是缺少倒角及 小孔等工件实际细小结构特征的，后续若要进行增材制造等生产过程， 如果对细小结构特征要求较高，则还需在所生成的几何模型中补充所 缺失的细小结构特征，这也增加了整个生产设计过程的复杂性和困难 性。
63.其中，增材制造，也叫3d打印，是一种以数字模型文件为基础， 通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料或医用生物材料， 按照挤压、烧结、熔融、光固化或喷射等方式逐层堆积，制造出实体 物品的制造技术。
64.与传统制造业的“减材制造技术”不同，增材制造技术遵从的是 加法原则，其可以直接将虚拟的数字化实体模型转变为产品，不仅生 产周期短，且方便制造复杂形状的零部件。
65.增材制造过程中，将三维几何模型(例如cad模型)离散成切 片，再将切片模型转化为打印头的行走轨迹，通过打印头将材料不断 添加到打印件上去，这样材料就按照打印轨迹不断地被添加，逐层打 印起来，就形成了最终的实体打印件。所以，三维几何模型的生成， 以及切片处理过程，对于成功实现增材制造生产至关重要。
66.另外，基于栅格自动填充后的模型对薄壁工件等进行增材制造时， 还存在粉末难以排出的问题。在内部具有空腔的薄壁工件的增材制造 过程中，薄壁工件的空腔利用松散粉末填充，而在3d打印过程完成 之后，存在于空腔中的粉末需要被排出。然而，当采用栅格单元自动 填充时，难以得到具有粉末排出通道的模型，因此，容易造成排粉困 难。
67.基于上述发现，本发明提供一种工件的生产设计方法，以实现更 简单有效的工件轻量化生产设计过程。
68.参照图1，本发明所提供的工件的生产设计方法，包括:
69.步骤s101、对工件进行拓扑优化分析。
70.拓扑优化(topology optimization)是一种以材料分布为优化对象 的结构优化方式，其根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在 给定的区域内对材料分布进行优化，找到最佳的材料分布，或者传力 路径，从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计。
71.拓扑优化基于有限元模型进行。因此，在对工件进行拓扑优化的 过程中，可以先根据工件的实际结构特征建立工件的实体几何模型， 然后再对所建立的实体几何模型进行网格划分，得到工件的有限元模 型。
72.在基于工件的实体几何模型建立工件的有限元模型之后，还需确 定拓扑优化域。例如，在工件为薄壁工件等情况下，可以将工件的位 于相对两侧表面之间的中间部分作为拓扑优化域，以使工件的气动外 形和功能特性等能够在拓扑优化过程中保持不变。其中，作为拓扑优 化域的中间部分的具体厚度可以调整，不一定是工件的位于相对两侧 表面之间的全部结构。
73.在确定拓扑优化域之后，设置约束条件、优化边界及优化目标等， 对拓扑优化域进行拓扑优化分析。其中，约束条件等可以根据实际工 况设置，例如重量约束、应力约束和加工制造约束等。优化目标可以 设定为柔度最小化(或称刚度最大化)。
74.拓扑优化分析可以基于变密度法进行，其基本原理是以相对密度 为设计变量，用数学规划法或优化准则法求解，根据所设定的相对密 度的阈值，将低于阈值的单元直接删除，使模型上形成孔洞。
75.经过拓扑优化分析，能得到满足约束和目标的工件拓扑优化域的 材料分布和传力路径。拓扑优化后的数字模型，相对于原几何模型， 增加了一些孔洞。
76.步骤s102、根据拓扑优化的分析结果，在工件的数字模型中填充 由多个填充单元串联形成的链状增强结构2，获得工件的重构模型。
77.拓扑优化的分析结果可以给出对工件进行填充增强的方向。
78.其中，数字模型的需要被填充的部分可以称为设计域，而不需要 被填充的部分相应地可以称为非设计域。
79.在确定工件的设计域时，可以参考拓扑优化得到的材料密度和传 力路径分布图。
80.一些实施例中，所确定的工件的设计域为拓扑优化所得到的强度 较小或应力较
集中的孔洞区域。
81.通过在设计域中进行单元填充，有利于在实现减重目的的同时， 改善应力集中现象，提高工件的强度，实现对工件的进一步优化设计。
82.并且，本发明所填充的不再是栅格单元，而是链状增强结构2， 链状增强结构2由多个填充单元串联形成，填充单元之间，以及填充 单元与数字模型的其他部分之间，连接更加连续、均匀和完整，有利 于获得缺陷更少的数字模型，以便于后续进行校核或生产使用。
83.同时，相对于呈多面体形的栅格单元，链状增强结构2大致呈线 性延伸，对薄壁工件的适应性也更好，有利于在填充后获得更加连续、 均匀且完整的数字模型。
84.并且，参照图5、图8、图11以及图14，填充后，相邻链状增强 结构2之间具有间隙，这些间隙可以作为增材制造结束后的排粉通道， 因此，还便于实现增材制造后的粉末排出。
85.另外，链状增强结构2填充可以在人为控制下进行，相对于栅格 自动填充方式，不再完全依赖于软件尚不成熟的相关算法，且填充单 元的形状和大小，以及填充单元的数量等可以基于需要选择和控制， 因此，填充效果更好，缺陷更少。
86.再者，链状增强结构2的填充对象不再局限于有限元模型这一种 数字模型，而是也可以直接在实体几何模型上完成。换句话说，前述 所提及的被填充的设计域，可以位于有限元模型上，也可以位于实体 几何模型上，也就是说，既可以仍在经过拓扑优化分析的有限元模型 的设计域中填充链状增强结构2，也可以在实体几何模型的设计域中 填充链状增强结构2。并且，其中实体几何模型，既可以为原始实体 几何模型(即尚未进行拓扑优化分析之前所建立的实体几何模型)， 也可以为由经过拓扑优化分析的有限元模型转化得到的实体模型。可 见，采用链状增强结构2填充方式，还有利于丰富可填充数字模型的 种类，方便根据实际情况选择更合适的数字模型进行填充。
87.其中，对实体几何模型进行填充，填充后模型数据量较小，且后 续可以直接用于增材制造等实际生产，无需再经过由有限元模型到实 体几何模型的转化，同时也不存在倒角及小孔等细小结构特征缺失的 问题，因此，可以使整个生产设计过程更加简单方便，降低生产设计 难度，提高生产设计效率。尤其在工件为大型工件的情况下，这方面 的效果更为突出。
88.参照图5-16，在一些实施例中，填充单元为块状填充单元。并且， 块状填充单元可以包括丁字型单元31、十字型单元34、王字型单元 33、一字型单元32、士字型单元、土字型单元、田字型单元、f型单 元、e型单元中的至少之一。这些块状填充单元也可以称为块状积木 式填充单元，它们表面呈类似封闭或非封闭矩形的几何形状，可以像 积木一样叠加串联，连接形成蜈蚣状或半蜈蚣状的链状增强结构2， 能够有效解决栅格自动连接处结构缺陷和不均匀等问题。并且，这些 块状填充单元是自己设计的规则填充单元，其厚度和长宽等尺寸等可 以灵活设计，填充层数和总体数量等也可以灵活控制，因此，使用更 加方便，例如，在工件为大型工件时，可以根据拓扑分析优化结果和 工件尺寸，将块状填充单元的尺寸设置得较大，以减小填充后模型(即 重构模型)的数据量，方便后续校核或打印切片。
89.为了在填充链状增强结构2后，获得工件的重构模型，参照图2， 一些实施例中，先将所填充的链状增强结构2与工件的数字模型的未 被填充的部分(即非设计域)进行并交
差运算，形成工件的设计模型； 然后再基于工件的设计模型，获得工件的重构模型。
90.参照图2，一些实施例中，在基于工件的设计模型，获得工件的 重构模型时，还对工件的设计模型进行验证，并将通过验证的工件的 设计模型作为工件的重构模型。
91.此时，工件的重构模型为通过验证的工件的设计模型。其中，验 证可以包括性能验证或工艺验证中的至少之一，以使工件的重构模型 能够满足性能要求及加工工艺要求中的至少之一。例如，可以先进行 性能验证，在性能验证通过之后，再进行工艺验证，这样，工件的重 构模型既满足性能要求，又满足加工工艺要求，基于其能顺利生产得 到性能合格的工件。
92.其中，性能验证具体可以包括对力学性能(例如强度)或气动性 能(例如流量损失等)等性能的验证，并可以采用有限元方法进行。
93.所得到的工件的重构模型，可以用于生产工件，此时，参照图1， 本发明的生产设计方法，还包括：
94.步骤s103、基于工件的重构模型，生产工件。
95.例如，参照图2，可以基于工件的重构模型，采用增材制造方法 生产工件，以将拓扑优化技术与增材制造技术结合，顺利生产得到性 能符合要求的轻质工件。
96.本发明所提供的生产设计方法适用于各种工件，尤其适用于航空 发动机的预旋喷嘴1等大型薄壁工件。
97.为了方便理解，以下将以预旋喷嘴1为例予以进一步地说明。
98.航空发动机的预旋喷嘴1是一种大型薄壁环状工件，具有内外环 薄壁结构，表面积较大(直径约400mm)，而厚度较小(厚度约2mm)。 其设置于燃烧室和高压涡轮之间，主要为后面的涡轮转子提供预旋的 冷却气体，是航空发动机供气系统的重要零部件之一，也是发动机零 部件之中，制造难度最大的零部件之一。
99.常规采用铸造工艺加工预旋喷嘴1，但成品率低，周期长。因此， 亟需提供一种新的预旋喷嘴1的生产方法。
100.由于增材制造技术对复杂结构零部件的制造有着突出的优势，因 此，发明人尝试采用增材制造技术生产预旋喷嘴1。
101.然而，实践过程中发现，如何生成较优化的预旋喷嘴1增材制造 所需的数字模型是一个难题。因为，较优化的预旋喷嘴1增材制造所 需的数字模型，不仅需要满足气动性能、强度性能以及增材制造工艺 等方面的要求，同时还需要尽可能地减重。然而，在采用相关技术中 基于有限元分析结果进行栅格自动填充的方式，对预旋喷嘴1进行轻 量化设计时，填充后的有限元模型存在缺陷较多，数据量过大，生成 实体几何模型太困难等问题，且所生成的实体几何模型用于增材制造 时，还存在切片及粉末排出困难等问题，因此，难以顺利实现预旋喷 嘴1的增材制造。
102.针对上述情况，在发明的一些实施例中，对预旋喷嘴1采用如下 生产设计方法：
103.首先，建立预旋喷嘴1的实体几何模型。具体可以根据预旋喷嘴 1的实际尺寸，在cad软件里建立预旋喷嘴1的实体几何模型。
104.然后，基于所建立的实体几何模型，对预旋喷嘴1进行拓扑优化 分析。
105.具体地，可以先对所建立的实体几何模型进行网格划分，获得预 旋喷嘴1的有限元模型，并在不改变预旋喷嘴1气动外形和功能特性 的前提下，将预旋喷嘴1的内外环薄壁
的中间层作为拓扑优化域，然 后根据实际工况设置温度场、腔压、安装边界位移以及重量约束、应 力约束和加工制造约束等优化分析相关约束，并增加柔度最小化的优 化目标，开展预旋喷嘴1的中间层的拓扑优化，得到满足约束和目标 的预旋喷嘴1内外环中间层结构的材料分布和传力路径。
106.之后，根据拓扑优化分析结果，确定预旋喷嘴1的设计域，并在 设计域中进行链状增强结构2填充，获得预旋喷嘴1的设计模型。
107.具体地，可以在预旋喷嘴1的原始实体几何模型上，人为去材料， 构建拓扑优化分析所得到的孔洞，并将其中拓扑优化分析结果显示应 力较为集中的孔洞作为设计域，然后在相应孔洞中引入丁字型单元 31，进行填充，且引入过程中，多次引入，并串联，形成链状增强结 构2，之后将所填充的多条链状增强结构2与实体几何模型的非设计 域的结构求并交差运算，形成预旋喷嘴1的完整的一体的填充数字模 型，即预旋喷嘴1的设计模型。该过程中，引入的填充单元不限于丁 字型单元31，例如，参照图9-16，还可以为一字型单元32、王字型 单元33和十字型单元34等其他块状单元。填充单元的尺寸、布局和 数量等，可以结合预旋喷嘴1的尺寸及拓扑优化分析结果来调整，以 更有效地减重和改善应力集中，并更有效地解决预旋喷嘴1采用栅格 自动填充方式时，模型缺陷较多，模型数据量较大，以及增材制造过 程中切片困难等问题。
108.然后，将所获得的设计模型导出，进行性能和工艺验证。
109.其中，在对预旋喷嘴1进行性能验证时，可以采用有限元分析工 具对预旋喷嘴1进行气动性能(如旋转比和流量损失等)和强度校核。 如果不满足要求，则重复前述链状增强结构2填充步骤，根据分析结 果找到设计薄弱点，改进结构，直至设计模型通过性能验证。
110.在设计模型通过性能验证之后，导出满足增材制造设备格式要求 的设计模型，交给制造方进行工艺验证，以保证再设计的结构可切片， 且可通过增材制造工艺完成加工制造。
111.最终通过工艺验证的设计模型，被确定为重构模型，并用于预旋 喷嘴1的增材制造。增材制造之后，粉末可以经由链状增强结构2 之间的通道排出。
112.可见，采用本发明的方法对预旋喷嘴1进行生产设计，整个过程 简单方便，成功率高，且能够有效减轻预旋喷嘴1的重量，改善预旋 喷嘴1的力学性能，并有效提高预旋喷嘴1的成品率，缩短预旋喷嘴 1的生产设计周期。
113.以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，参数 均应包含在本发明的保护范围之内。