本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠調(diào)節(jié)零部件形變的亞表面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

目前，工程零部件在使用過程可能受到壓力，離心力等力的影響，使得零部件在某些部分的某些方向上的形變超出合理范圍從而影響了零部件的使用效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種能夠調(diào)節(jié)零部件形變的亞表面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)零部件要求，設(shè)計出零部件的三維模型；

(2)對三維模型進(jìn)行有限元分析，獲取零件各部分的質(zhì)量分布、應(yīng)力分布、形變量和泊松比的參數(shù)；

(3)由步驟(2)中獲取的參數(shù)，根據(jù)零件各部分的質(zhì)量分布，形變量、應(yīng)力的大小和泊松比，選擇符合要求的球體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行填充，形成相應(yīng)的亞表面結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該亞表面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法還包括：(4)對步驟(3)中設(shè)計出的亞表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的力學(xué)分析，分析其是否達(dá)到調(diào)節(jié)形變的目的。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(2)中獲取的泊松比和形變量參數(shù)是零件任意部分任意方向上的數(shù)值。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(3)中調(diào)節(jié)形變量的方法包括改變球體結(jié)構(gòu)單元的填充度、材質(zhì)、球體結(jié)構(gòu)單元之間的位置關(guān)系和接觸面大小、球體結(jié)構(gòu)單元在不同部分的填充密度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟(2)中，對三維模型用UG軟件或ANSYS軟件模擬出該零件在實(shí)際使用過程中受到相應(yīng)外力作用時，實(shí)體各部分的形變量和形變方向，以及各部分在任意方向上的泊松比。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟(3)中，在要進(jìn)一步降低形變量的部位，填充由高強(qiáng)度材質(zhì)組成的且填充度比原填充度高的球單元，并提高球單元的密度，并根據(jù)步驟(2)中得出的參數(shù)，在該部位形變量大的方向上和泊松比大的方向上將球單元按三棱錐方式排列，并調(diào)整球單元的接觸面積。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟(3)中，在要進(jìn)一步增加形變的部位，選擇填充由較軟材質(zhì)組成的且填充度比原填充度低的球單元，并降低球單元的分布密度，同時可以達(dá)到節(jié)省材料和減輕零部件整體重量的目的。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟(4)中，對步驟(3)中設(shè)計的亞表面結(jié)構(gòu)進(jìn)一步模擬分析，分析各部分的形變量和形變方向，以及各部分在某方向上的泊松比，并不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，填充度比原填充度高的球單元是指：在要進(jìn)一步減小形變的部位，預(yù)設(shè)填充度為10％的球單元并進(jìn)行分析，然后在此基礎(chǔ)上依次增大2％的填充度并依次進(jìn)行分析，選用當(dāng)零件形變量減小到工程允許范圍內(nèi)時的最小填充度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，填充度比原填充度低的球單元是指：在要進(jìn)一步增加形變的部位，預(yù)設(shè)填充度為90％的球單元并進(jìn)行分析，然后在此基礎(chǔ)上依次減小2％的填充度并依次進(jìn)行分析，選用當(dāng)零件形變量增加到所需范圍內(nèi)的最小填充度。

本發(fā)明的有益效果是：本方法改變了零部件的亞表面結(jié)構(gòu)，在零部件的亞表面中填充球體，通過改變球體的填充度，球體之間的位置關(guān)系和接觸面的大小，球體的材質(zhì)，以及球體在不同部位的填充密度等方面，達(dá)到調(diào)節(jié)零部件形變的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中球單元的空間結(jié)構(gòu)圖，其中以球體為結(jié)構(gòu)單元，將球按照正三棱錐排列；

圖2是本發(fā)明中球單元的空間結(jié)構(gòu)圖，其中兩個球體單元相交的關(guān)系結(jié)構(gòu)；

圖3是本發(fā)明中球單元的空間結(jié)構(gòu)圖，其中兩個球單元相離，但相離距離較近；

圖4是本發(fā)明中球單元的空間結(jié)構(gòu)圖，其中兩球相互接觸；

圖5是本發(fā)明的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖5所示，本發(fā)明公開了一種能夠調(diào)節(jié)零部件形變的亞表面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)零部件要求，設(shè)計出零部件的三維模型；

(2)對三維模型進(jìn)行有限元分析，獲取零件各部分的質(zhì)量分布、應(yīng)力分布、形變量和泊松比的參數(shù)；

(3)由步驟(2)中獲取的參數(shù)，根據(jù)零件各部分的質(zhì)量分布，形變量、應(yīng)力的大小和泊松比，選擇符合要求的球體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行填充，形成相應(yīng)的亞表面結(jié)構(gòu)。

該亞表面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法還包括：(4)對步驟(3)中設(shè)計出的亞表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的力學(xué)分析，分析其是否達(dá)到調(diào)節(jié)形變的目的。

步驟(2)中獲取的泊松比和形變量參數(shù)是零件任意部分任意方向上的數(shù)值。

步驟(3)中調(diào)節(jié)形變量的方法包括但不僅限于改變球體結(jié)構(gòu)單元的填充度、材質(zhì)、球體結(jié)構(gòu)單元之間的位置關(guān)系和接觸面大小、球體結(jié)構(gòu)單元在不同部分的填充密度。

在步驟(2)中，對三維模型用UG軟件或ANSYS軟件模擬出該零件在實(shí)際使用過程中受到相應(yīng)外力作用時，實(shí)體各部分的形變量和形變方向，以及各部分在任意方向上的泊松比。

在步驟(3)中，在要進(jìn)一步降低形變量的部位，填充由高強(qiáng)度材質(zhì)組成的且填充度比原填充度高的球單元，并提高球單元的密度，并根據(jù)步驟(2)中得出的參數(shù)，在該部位形變量大的方向上和泊松比大的方向上將球單元按三棱錐方式排列，并調(diào)整球單元的接觸面積。

在步驟(3)中，在要進(jìn)一步增加形變的部位，選擇填充由較軟材質(zhì)組成的且填充度比原填充度低的球單元，并降低球單元的分布密度，同時可以達(dá)到節(jié)省材料和減輕零部件整體重量的目的。

在步驟(4)中，對步驟(3)中設(shè)計的亞表面結(jié)構(gòu)進(jìn)一步模擬分析，分析各部分的形變量和形變方向，以及各部分在某方向上的泊松比，并不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

零部件的外形往往是固定下來的，不宜更改，但可以通過改變零部件的亞表面結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)改變零部件力學(xué)性能的目的。同時，球作為基本的結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)簡單，易通過結(jié)構(gòu)設(shè)計維持該零件的力學(xué)性能。在制造上，本發(fā)明的設(shè)計完全可以依靠3D打印實(shí)現(xiàn)。

通過本發(fā)明可以調(diào)節(jié)控制零部件在使用過程中的形變，本方法改變了零部件的亞表面結(jié)構(gòu)，在零部件的亞表面中填充球體，通過改變球體的填充度，球體之間的位置關(guān)系和接觸面的大小，球體的材質(zhì)，以及球體在不同部位的填充密度等方面，達(dá)到調(diào)節(jié)零部件形變的目的。并且此設(shè)計可以依托3D打印制造出來，3D打印無需考慮零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及用料情況。此方法可以用于汽車、輪船、航空等工業(yè)制造領(lǐng)域的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計上。

如圖1所示，以球體為結(jié)構(gòu)單元，將球按照正三棱錐排列。Z軸方向?yàn)椴襟E(2)中測算出某部分的形變量最大的方向或該部分Z軸方向的泊松比最大，且想要在該方向進(jìn)一步減小形變，當(dāng)Z軸上再施加力時，這樣的正三棱錐結(jié)構(gòu)可以起到有效的支持作用。

如圖2所示，當(dāng)步驟(2)中計算出的某部分形變量沿Y軸方向較大或沿Y軸的泊松比較大時，且想要在該方向進(jìn)一步減小形變，也可以采取兩個球體單元相交的關(guān)系結(jié)構(gòu)，并在球體中橫向添加陶瓷材料，陶瓷材料可以在單方向上承受巨大的壓力或在球體中注入D30凝膠以及類似的材料，在受到壓力沖擊時，增加強(qiáng)度。

在想要增加形變量的地方可以采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)，即兩個球單元相離，但相離距離較近。采用這種設(shè)計首先增加了零部件亞表面的孔隙率，減少耗材，減輕重量。另一方面，當(dāng)兩球受到來自橫向的壓力時，兩球相互接觸，如圖4所示，既達(dá)到了形成微小形變的目的，又控制形變不至于過大。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。