论文部分内容阅读
结构拓扑优化设计可以辅助工程师设计性能优良、用料更少的产品,在汽车轻量化设计领域具有重要的工程应用价值。但是,拓扑优化结果存在锯齿状边缘和棋盘格现象,增加了后续形状优化和加工制造的成本与难度。本文提出了一种拓扑优化结果的多视图参数化几何重构方法,可以将拓扑优化结果重构为便于后续处理的参数模型,主要研究内容如下:(1)针对结构复杂的模型,仅用三视图方式不能识别模型的整体结构,提出了基于特征分割方法分割模型的解决方案。使用基于线骨架的特征分割方法可以将结构复杂模型分成多个具有一定语义的简单结构模型,其中部分骨架可以人工辅助修改以得到满意的分割结构。(2)针对结构简单的模型,首先将拓扑优化结果转化为均匀点云,选择投影方向和投影面(包括三视图、局部视图和特定方向视图),采用正投影方式投影全部或部分点云得到2D视图点云,并提取视图轮廓;然后基于形状几何模板和扩展多边形近似的方法分段重构2D轮廓,并构造选择评价函数确定最佳2D重构轮廓;之后将2D重构轮廓沿投影方向作(笛卡尔坐标或自然坐标)拉伸、旋转等操作得到实体;最后将实体坐标变换到统一坐标系,作布尔运算获得3D重构模型。(3)为提高2D轮廓重构精确性,在2D轮廓分段重构阶段采用轮廓前处理和轮廓后处理。轮廓前处理包括凹凸处理、自适应插点和平滑滤波,可以解决几何模板不能处理凹多边形缺陷,同时提高2D轮廓处理准确度和效率。轮廓后处理包括圆弧、直接和倒角连接3种方案,可以依据优化结果灵活选择,增加了3D重构模型的适应性。(4)使用拓扑优化经典数值算例扭矩梁和桥梁,以及汽车零件控制臂、轮毂和车架的拓扑优化设计进行重构方法的数值验证。重构结果在不显著增加模型体积的前提下,能得到参数化的简单3D模型,降低了拓扑优化结果的后续处理步骤的难度和成本,便于后续的形状优化和加工制造。本文提出了一种拓扑优化结果的参数化几何重构方法,并使用经典优化算例和汽车零件验证了方法的可行性和有效性,为拓扑优化结果的后处理提供了一种解决方案。