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增材创新设计

以航空、航天、生物医疗等领域三维复杂结构的减重优化及快速制造为目标,研究面向增材制造的结构创新设计及工艺数据处理技术。基于“设计引导制造”、“功能驱动设计”理念,将增材制造技术、数字几何造型技术以及结构优化技术相结合,构建集拓扑优化、晶格造型、工况约束、美学设计于一体的“拓扑—晶格”协同优化创新设计体系,为复杂产品的创新设计提供有效途径。

1. 功能驱动的复杂三维点阵主动可控优化设计

针对传统三维点阵胞元形式单一、设计空间有限、难以针对航空、航天结构极端服役环境选择合适点阵构型的难题,构建点阵结构形态与力、热性能的关联关系,开展功能驱动的复杂三维点阵结构主动可控优化设计技术研究,建立点阵结构几何、仿真和优化统一模型,为航天复杂结构件极限轻量化设计提供支撑。


2. 面向增材制造工艺约束的拓扑优化设计

面向航空航天等领域复杂结构极限轻量化、结构功能一体化设计需求,研究面向增材制造工艺驱动的结构静、动力学拓扑优化方法,突破结构静、动力学功能约束与增材制造工艺约束耦合集成、协同优化、高效计算等基础问题,构建静动态载荷约束、增材制造工艺约束等多约束条件下的材料最优分布,为复杂产品的功能结构一体化设计、结构多功能化设计提供理论支撑。


3. 增材制造工艺数据处理

针对大规模复杂结构增材制造工艺数据处理效率低、结构特征与扫描路径急需关联的挑战,发明了基于共点“焊接”排序策略的高效并行切层技术、基于象限区域引导的“伪随机”岛型扫描路径规划技术以及基于结构特征智能识别的激光扫描路径分区域规划技术。研制了完全自主代码的三维点阵结构增材制造工艺数据处理软件,融合切层计算、特征识别及路径规划功能,有效均衡温度场和应力场,高效处理海量点阵数据,GB级三维模型切层计算时间小于5分钟。