摘要
近年来，增材制造技术发展迅速，在复杂构件快速制造领域展现出较为明显的技术优势，极大地拓展了三维模型的设计自由度。拓扑优化作为重要的结构优化设计方法，在面向增材制造的创新设计领域应用前景广阔。随着增材制造技术与拓扑优化设计技术的紧密结合，为复杂构件的轻量化设计制造、功能驱动设计制造、结构功能一体化设计制造提供了有效的途径。 壳体结构凭借其良好的力学性能及轻量化的结构特征在航空、航天等多个领域被广泛应用。然而局限于设计模式与制造工艺，现有壳体结构一般采用等厚度、变截面的设计方法，难以根据壳体结构的具体作业环境实现壳体厚度的自适应设计。本文以壳体结构轻量化变厚度设计为目标，研究面向增材制造工艺约束的壳体结构拓扑优化方法，具体研究内容及结果如下： （1）为了提升拓扑优化有限元前处理效率，针对现有体素网格划分方法容易丢失体素数据、网格划分精度较低的问题，提出了基于切层策略的高效高精度体素网格划分方法。通过在体素空间内沿打印方向构建Z向切面，结合Y向切线、X向取点循环截取，经点-线-面直接构建成体。无需针对模型表面、内部分别体素化，实现了高分辨率模型精确、快速体素化处理。对比主流网格划分软件Hypermesh，切层体素化效率提升68%以上，精度保持在98%以上。 （2）针对拓扑优化壳体结构的增材制造成形要求，提出了增材制造工艺约束的量化描述方法及优化机制。通过引入悬垂惩罚因子、尖角惩罚因子，实现了悬垂、尖角等两类工艺特征的量化描述；通过定义虚悬垂约束、虚尖角约束，建立了面向增材制造工艺特征的优化机制，通过在优化过程中去除壳体结构内尖角、悬垂两种结构特征，提高了壳体结构的可打印性。 （3）针对拓扑优化方法设计自由度大、难以直接控制壳体结构厚度变化的难题，结合壳体结构大刚度、轻量化的性能需求，提出了基于区域进化调控策略的壳体结构保外形变厚度拓扑优化方法。以结构应变能与体积最小化为优化目标，引入区域进化调控策略，基于自适应更新策略求取并更新进化等级中心，进而动态更新进化因子。通过交替执行因子进化、区域进化控制壳体结构厚度，在进一步减轻重量的同时提升了结构刚度。 （4）为验证论文方法的有效性，以悬臂壳体、球壳、底座壳体、壳状阀体等模型为例，分别进行了4组数值模拟分析以及2组力学性能测试实验。数值模拟分析结果表明：所研究的壳体结构拓扑优化方法可有效控制壳体结构厚度变化、降低结构应变能、减小结构体积并满足增材制造工艺约束要求；力学性能测试实验结果表明：优化后壳体结构比刚度提升27%以上，实现了壳体结构的减重增效。
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