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公開番号2024062963
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-10
出願番号2023183078
出願日2023-10-25
発明の名称構造レイアウト、幾何学的及び3Dプリントの一体型最適化設計及び製造方法
出願人個人,浙江大学,ZHEJIANG UNIVERSITY
代理人弁理士法人太陽国際特許事務所
主分類G06F 30/23 20200101AFI20240501BHJP(計算;計数)
要約【課題】プリント製造における構成部材のオーバーハング角度制約を考慮し、プリントプロセス中に支持構造を追加する必要がなく、幾何学的一体型最適化プロセスにおける構成部材の融合、節点の移動処理の反復により、冗長な構成部材を効果的にマージし、節点の数を減少させ、レイアウト最適化の結果を簡略化し、構造の規則化を実現する。
【解決手段】最小接続基本構造を確立し、オーバーハング角度制約に違反する構成部材をスクリーニングした後にレイアウト最適化モデルを確立し、数回に分けてすべての構成部材をレイアウト最適化モデルに追加するステップと、製造制約構成部材のオーバーハング角度を考慮し、反復最適化を通じてレイアウトに対して構成部材のマージと節点の融合を行い、交差構成部材を処理するステップと、構造情報を抽出して3Dソリッドモデルを確立し、次にスライスしてプリントパスを生成し、3Dプリントを行うステップとを含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法であって、
Ｓ１、レイアウト一体型最適化：まず、制約条件及びパラメータを入力し、最小接続基本構造を確立し、オーバーハング角度制約に違反する構成部材をスクリーニングした後にレイアウト最適化モデルを確立し、反復を通じて数回に分けてすべての構成部材をレイアウト最適化モデルに追加するステップと、
Ｓ２、幾何学的一体型最適化：レイアウト最適化の結果に基づいて、製造制約構成部材のオーバーハング角度を考慮し、反復最適化戦略を用いてレイアウトに対して構成部材のマージ及び節点の融合を行い、交差構成部材を処理し、最適化結果を得るステップと、
Ｓ３、３Ｄプリント一体製造：最適化結果によって構造情報を抽出し、構造数値情報には、節点の位置、構成部材の接続及び断面の寸法が含まれ、構成部材の組み立て及び節点の生成処理の後、３Ｄソリッドモデルを確立し、次にソリッドモデルをスライスしてプリントパスを生成し、３Ｄプリントを行うステップとを含むことを特徴とする構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法。
続きを表示（約 4,000 文字）【請求項２】
ステップＳ１は、具体的には、
Ｓ１．１、設計条件及びパラメータの入力：設計領域の寸法、材料の引張強度と圧縮強度、荷重作業条件及び境界制約を入力し、最適化プロセスにおけるグリッド密度、初期基本構造の構成部材の長さ閾値、自己支持臨界角及び成形方向を指定するステップと、
Ｓ１．２、最小接続基本構造の確立：均一な格子離散化を用いて設計領域を処理し、任意の２つの節点を接続して最小接続基本構造を形成し、長さが初期基本構造の構成部材の長さ閾値を超えない構成部材集合を初期基本構造とし、長さが初期基本構造の構成部材の長さ閾値を超える構成部材集合を潜在的な構成部材集合とするステップと、
Ｓ１．３、構成部材のスクリーニング：構成部材の方向と成形方向との角度の余弦値を計算し、角度の余弦値が自己支持臨界角の正弦値より大きい場合、該構成部材はオーバーハング角度制約を満たし、追加の支持構造を追加する必要がなく、初期基本構造及び潜在的な構成部材集合におけるオーバーハング角度制約を満たさない構成部材をスクリーニングするステップと、
Ｓ１．４、レイアウト最適化モデルの確立：構成部材の内力と荷重との間のバランス行列Ｂ及びレイアウト最適化数学モデルを確立し、トラス構造の総体積を最小にすることを目的関数として定義し、レイアウト最適化モデルを導出し、レイアウト最適化モデルにおける構成部材のｉ本目の構成部材に発生する相対変位をｕ
ｉ
とし、構成部材ユニットの長さをｌ
ｉ
とし、仮想ひずみｕ
ｉ
／ｌ
ｉ
は、
JPEG
2024062963000014.jpg
18
43
（１）を満たすステップと、
Ｓ１．５、構成部材の追加及び反復解法：潜在的な構成部材集合における各構成部材の仮想ひずみを計算し、各構成部材の仮想ひずみ及び式（１）の違反の度合いに基づいて潜在的な構成部材集合をソートし、潜在的な構成部材集合から違反の度合いが大きいＫ
ａｄｄ
本の構成部材を選択してレイアウト最適化モデルの基本構造に移動し、新しいレイアウト最適化モデルを再び解き、潜在的な構成部材集合におけるすべての構成部材がレイアウト最適化モデルに追加され、式（１）の要件を満たすまで、上記のステップを複数回反復するステップとを含むことを特徴する請求項１に記載の構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法。
【請求項３】
ステップＳ１において、レイアウト最適化数学モデルは構成部材の断面積ａ、構成部材の内力ｑを設計変数とし、構造の内力と外力のバランス、材料強度限界及びゼロ以上の面積を制約条件とし、上記制約条件の式は、
JPEG
2024062963000015.jpg
27
47
（２）であり、
トラス構造の総体積を最小にすることを設計目標とし、目的関数は、
JPEG
2024062963000016.jpg
14
36
（３）であり、
ここで、ａ＝［ａ
１
，ａ
２
，…，ａ
ｍ
］
Ｔ
は、構成部材ユニットの断面積であり、ｍは、構成部材の数であり、ｑ＝［ｑ
１
，ｑ
２
，…，ｑ
ｍ
］
Ｔ
は、構成部材ユニットの内力であり、引張は正の値、圧縮は負の値として定義され、Ｖは、レイアウト最適化モデルの構造総体積であり、ｌ＝［ｌ
１
，ｌ
２
，…，ｌ
ｍ
］
Ｔ
は、レイアウト最適化モデルにおける構成部材ユニットの長さであり、Ｂは、構成部材の方向を含むバランス行列であり、ｆ
α
は、節点荷重ベクトルであり、αは、作業条件番号であり、σ
－
及びσ
＋
は、それぞれ材料の圧縮限界強度及び引張限界強度であることを特徴とする請求項２に記載の構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法。
【請求項４】
ステップＳ１において、初期基本構造のバランス行列Ｂが解けない場合、初期基本構造の構成部材の長さ閾値及びグリッド密度を増大させ、新しい初期基本構造を形成し、改めて解くことを特徴とする請求項２に記載の構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法。
【請求項５】
ステップＳ２は、具体的には、
Ｓ２．１、レイアウト一体型最適化の結果の抽出：レイアウト最適化の結果に基づいて、異なる構成部材のフィルタリング閾値を設定し、断面積が小さすぎる構成部材をスクリーニングし、かつ重複構成部材をマージし、これを幾何学的最適化モデルの初期解とするステップと、
Ｓ２．２、節点の融合及び構造の簡略化：節点のマージ閾値を設定し、隣接する節点をグループ化し、各グループの節点の中心点に簡略化するステップと、
Ｓ２．３、幾何学的最適化モデルの確立：レイアウト最適化モデルに基づいて節点座標変数を追加し、節点の移動範囲及びオーバーハング角度を制約し、トラス構造の総体積を最小にすることを目的関数として定義し、幾何学的最適化モデルを確立するステップと、
Ｓ２．４、交差構成部材の処理：最適化結果がオーバーハング角度を考慮した幾何学的最適化モデルの制約条件を満たすまで、ステップＳ２．２～ステップＳ２．３を繰り返し、構造における構成部材の交差状況を検出し、構成部材の交差箇所に新しい節点を形成し、新しい節点に基づいて元の構成部材を複数本の構成部材に分割し、交差構成部材が処理されたモデルの幾何学的最適化モデルを再び解き、最適化結果を得、最適化解法の前後のモデルの構造総体積の変化が設定された限界値より小さい場合、交差構成部材の処理が成功したと判断され、新しい結果を直接出力し、そうでない場合、元の結果を出力するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法。
【請求項６】
ステップＳ２において、幾何学的最適化数学モデルは構成部材の断面積ａ、構成部材の内力ｑ、節点座標ｘ、ｙ、ｚを設計変数とし、構造の内力と外力のバランス、材料強度限界、節点の移動範囲、ゼロ以上の面積及び節点座標のオーバーハング角度を制約条件とし、上記制約条件の式は、
JPEG
2024062963000017.jpg
87
99
（４）であり
トラス構造の総体積を最小にすることを設計目標とし、目的関数は、
JPEG
2024062963000018.jpg
15
57
（５）であり、
ここで、ａ＝［ａ
１
，ａ
２
，…ａ
ｍ
］
Ｔ
は、構成部材ユニットの断面積であり、ｍは、構成部材の数であり、ｑ＝［ｑ
１
，ｑ
２
，…ｑ
ｍ
］
Ｔ
は、構成部材ユニットの内力であり、引張は正の値、圧縮は負の値として定義され、Ｖは、構造総体積であり、ｌ＝［ｌ
１
，ｌ
２
，…ｌ
ｍ
］
Ｔ
は、構成部材ユニットの長さであり、Ｂは、構成部材の方向を含むバランス行列であり、ｆ
α
は、節点荷重ベクトルであり、αは、作業条件番号であり、σ－及びσ＋は、それぞれ材料の圧縮限界強度及び引張限界強度であり、
ｉ本目の構成部材の両端の節点Ｎ
１
、Ｎ
２
の座標をＮ
１
（ｘ
１
，ｙ
１
，ｚ
１
）、Ｎ
２
（ｘ
２
，ｙ
２
，ｚ
２
）とし、Ｘ
ｉ
、Ｙ
ｉ
、Ｚ
ｉ
は、それぞれｉ本目の構成部材の長さｌ
ｉ
の直交座標系におけるｘ、ｙ、ｚ軸方向の投影長さであり、すなわち、Ｘ
ｉ
＝ｘ
２
－ｘ
１
、Ｙ
ｉ
＝ｙ
２
－ｙ
１
、Ｚ
ｉ
＝ｚ
２
－ｚ
１
であり、θ
ｍｉｎ
は、最初に設定された自己支持臨界角であり、ｄ
ｘ
、ｄ
ｙ
、ｄ
ｚ
は、それぞれ標準化された成形方向ベクトルの３つの成分であり、成形方向は（０，０，１）に設定され、ｘ
ｕｂ
、ｘ
ｌｂ
は、それぞれ節点のｘ座標の移動範囲の上限値と下限値であり、ｙ
ｕｂ
、ｙ
【請求項７】
ステップＳ３において、Ｒｈｉｎｏソフトウェアによって３Ｄモデリングを行い、３Ｄモデリングで得られたソリッドモデルをＣｕｒａソフトウェアによってスライスし、プリントパスを生成することを特徴とする請求項１に記載の構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造工学の技術分野に属し、特に構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法に関する。
続きを表示（約 3,100 文字）【背景技術】
【０００２】
ますます複雑な工事のニーズにより、複雑な構造の最適化設計及び３Ｄプリント一体化に対する需要が高まっている。構造最適化は、寸法最適化、トポロジー最適化及び形状最適化の３つのレベルに分けられ、そのうち、構造のトポロジー最適化の対象には離散構造及び連続体構造が含まれる。実際の工事において広く使用されているトラス型構造システムの最適化は、離散構造のトポロジー最適化のカテゴリーに属する。
【０００３】
離散構造のトポロジー最適化について、レイアウト最適化処理は一般的に、設計領域を細かいグリッドに離散化して基本構造を生成し、線形計画法で解いて構造レイアウトのグローバル最適解を取得する。しかしながら、グリッド点が２つずつ接続して構成された構成部材集合からなる基本構造は、最適化行列の規模を非常に大きくするため、最適化効率が低く、大規模な構造最適化問題を実現しにくくなる。そして、レイアウト最適化後の結果が複雑すぎ、構成部材、節点が煩雑であるため、実際の工事に適用しにくい。
【０００４】
レイアウト最適化に基づいて、最小基本構造は構成部材追加法によって構築され、これにより、初期最適化行列の規模が効果的に縮小され、大規模なレイアウト最適化問題の解決効率が顕著に向上できる。レイアウト最適化の結果が複雑であるという問題について、レイアウト最適化と幾何学的最適化の組み合わせは、合理的で効果的な解決手段である。幾何学的最適化方法における構成部材の融合、節点の移動などの処理によってレイアウト最適化の複雑な結果の簡略化を効果的に実現することができる。したがって、合理的で効果的な構造レイアウトと幾何学的最適化の組み合わせは、複雑な離散構造の一体型最適化の重要な態様である。
【０００５】
３Ｄプリント（付加製造）技術は、材料の層ごとの蓄積による構造の自由な「成長」を可能にし、構造製造の柔軟性を大幅に広げる。構造レイアウトと幾何学的最適化の組み合わせにより、良好な理論的結果を得ることができるが、付加製造プロセス中にオーバーハング角度制約も考慮する必要がある。重力の影響により、構成部材の方向と水平面との間の角度が小さくなるにつれて、製造成形の品質が低下する。角度が小さすぎると、構造が崩れて構造のプリントに失敗する。したがって、構造における構成部材のオーバーハング角度、すなわち構成部材と水平方向とのなす角度は、プリント材料の自己支持臨界角より大きい必要があり、自己支持臨界角の値は、材料自体の成形性質及びプリントパラメータに関連する。
【０００６】
構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリント技術の合理的かつ効率的な組み合わせは、複雑な離散構造の一体型最適化設計及び製造にとって重要な要因である。３Ｄプリントプロセスにおける自己支持製造制約の問題を解決するために、従来の処理方法は、オーバーハング角度が小さすぎる構成部材の下に支持構造を追加することである。しかしながら、３Ｄプリントプロセス中に支持構造を追加することは、材料コスト及びプリント時間を増加させ、後で支持構造をスクリーニングすることが困難になり、さらには構造成形の失敗を招く。
【０００７】
要約すると、構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法を研究し、複雑なトラスシステムなどの離散最適化構造の三軸３Ｄプリントの一体設計及び製造を実現することは、非常に必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来技術における欠点を克服し、構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような構造レイアウト、幾何学的及び３Ｄプリントの一体型最適化設計及び製造方法は、
Ｓ１、レイアウト一体型最適化：まず、制約条件及びパラメータを入力し、最小接続基本構造を確立し、オーバーハング角度制約に違反する構成部材をスクリーニングした後にレイアウト最適化モデルを確立し、反復を通じて数回に分けてすべての構成部材をレイアウト最適化モデルに追加するステップと、
Ｓ２、幾何学的一体型最適化：レイアウト最適化の結果に基づいて、製造制約構成部材のオーバーハング角度を考慮し、反復最適化戦略を用いてレイアウトに対して構成部材のマージ及び節点の融合を行い、交差構成部材を処理し、最適化結果を得るステップと、
Ｓ３、３Ｄプリント一体製造：最適化結果によって構造情報を抽出し、構造数値情報には節点の位置、構成部材の接続及び断面の寸法が含まれ、構成部材の組み立て及び節点の生成処理の後、３Ｄソリッドモデルを確立し、次にソリッドモデルをスライスしてプリントパスを生成し、３Ｄプリントを行うステップとを含む。
【００１０】
好ましくは、ステップＳ１は、具体的には、
Ｓ１．１、設計条件及びパラメータの入力：設計領域の寸法、材料の引張強度と圧縮強度、荷重作業条件及び境界制約を入力し、最適化プロセスにおけるグリッド密度、初期基本構造の構成部材の長さ閾値、自己支持臨界角及び成形方向を指定するステップと、
Ｓ１．２、最小接続基本構造の確立：均一な格子離散化を用いて設計領域を処理し、任意の２つの節点を接続して最小接続基本構造を形成し、長さが初期基本構造の構成部材の長さ閾値を超えない構成部材集合を初期基本構造とし、長さが初期基本構造の構成部材の長さ閾値を超える構成部材集合を潜在的な構成部材集合とするステップと、
Ｓ１．３、構成部材のスクリーニング：構成部材の方向と成形方向との間の角度の余弦値を計算し、角度の余弦値が自己支持臨界角の正弦値より大きい場合、該構成部材はオーバーハング角度制約を満たし、追加の支持構造を追加する必要がなく、初期基本構造及び潜在的な構成部材集合におけるオーバーハング角度制約を満たさない構成部材をスクリーニングするステップと、
Ｓ１．４、レイアウト最適化モデルの確立：構成部材の内力と荷重との間のバランス行列Ｂ及びレイアウト最適化数学モデルを確立し、トラス構造の総体積を最小にすることを目的関数として定義し、レイアウト最適化モデルを導出し、レイアウト最適化モデルにおけるｉ本目の構成部材に発生する相対変位をｕ
ｉ
とし、構成部材ユニットの長さをｌ
ｉ
とし、仮想ひずみｕ
ｉ
／ｌ
ｉ
は、
JPEG
2024062963000002.jpg
20
45
（１）を満たすステップと、
Ｓ１．５、構成部材の追加及び反復解法：潜在的な構成部材集合における各構成部材の仮想ひずみを計算し、各構成部材の仮想ひずみ及び式（１）の違反の度合いに基づいて潜在的な構成部材集合をソートし、潜在的な構成部材集合から違反の度合いが大きいＫ
ａｄｄ
本の構成部材を選択してレイアウト最適化モデルの基本構造に移動し、新しいレイアウト最適化モデルを再び解き、潜在的な構成部材集合におけるすべての構成部材がレイアウト最適化モデルに追加され、式（１）の要件を満たすまで、上記のステップを複数回反復するステップとを含む。
（【００１１】以降は省略されています）

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