一種能夠調節零部件形變的亞表面結構設計方法與流程
2023-05-21 10:28:31
本發明涉及結構設計技術領域，尤其涉及一種能夠調節零部件形變的亞表面結構設計方法。
背景技術：
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範圍從而影響了零部件的使用效果。
技術實現要素：
本發明提供了一種能夠調節零部件形變的亞表面結構設計方法，包括如下步驟：
(1)根據零部件要求，設計出零部件的三維模型；
(2)對三維模型進行有限元分析，獲取零件各部分的質量分布、應力分布、形變量和泊松比的參數；
(3)由步驟(2)中獲取的參數，根據零件各部分的質量分布，形變量、應力的大小和泊松比，選擇符合要求的球體結構單元進行填充，形成相應的亞表面結構。
作為本發明的進一步改進，該亞表面結構設計方法還包括：(4)對步驟(3)中設計出的亞表面結構進行進一步的力學分析，分析其是否達到調節形變的目的。
作為本發明的進一步改進，步驟(2)中獲取的泊松比和形變量參數是零件任意部分任意方向上的數值。
作為本發明的進一步改進，步驟(3)中調節形變量的方法包括改變球體結構單元的填充度、材質、球體結構單元之間的位置關係和接觸面大小、球體結構單元在不同部分的填充密度。
作為本發明的進一步改進，在步驟(2)中，對三維模型用UG軟體或ANSYS軟體模擬出該零件在實際使用過程中受到相應外力作用時，實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。
作為本發明的進一步改進，在步驟(3)中，在要進一步降低形變量的部位，填充由高強度材質組成的且填充度比原填充度高的球單元，並提高球單元的密度，並根據步驟(2)中得出的參數，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稜錐方式排列，並調整球單元的接觸面積。
作為本發明的進一步改進，在步驟(3)中，在要進一步增加形變的部位，選擇填充由較軟材質組成的且填充度比原填充度低的球單元，並降低球單元的分布密度，同時可以達到節省材料和減輕零部件整體重量的目的。
作為本發明的進一步改進，在步驟(4)中，對步驟(3)中設計的亞表面結構進一步模擬分析，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，並不斷優化結構。
作為本發明的進一步改進，填充度比原填充度高的球單元是指：在要進一步減小形變的部位，預設填充度為10％的球單元並進行分析，然後在此基礎上依次增大2％的填充度並依次進行分析，選用當零件形變量減小到工程允許範圍內時的最小填充度。
作為本發明的進一步改進，填充度比原填充度低的球單元是指：在要進一步增加形變的部位，預設填充度為90％的球單元並進行分析，然後在此基礎上依次減小2％的填充度並依次進行分析，選用當零件形變量增加到所需範圍內的最小填充度。
本發明的有益效果是：本方法改變了零部件的亞表面結構，在零部件的亞表面中填充球體，通過改變球體的填充度，球體之間的位置關係和接觸面的大小，球體的材質，以及球體在不同部位的填充密度等方面，達到調節零部件形變的目的。
附圖說明
圖1是本發明中球單元的空間結構圖，其中以球體為結構單元，將球按照正三稜錐排列；
圖2是本發明中球單元的空間結構圖，其中兩個球體單元相交的關係結構；
圖3是本發明中球單元的空間結構圖，其中兩個球單元相離，但相離距離較近；
圖4是本發明中球單元的空間結構圖，其中兩球相互接觸；
圖5是本發明的方法流程圖。
具體實施方式
如圖5所示，本發明公開了一種能夠調節零部件形變的亞表面結構設計方法，包括如下步驟：
(1)根據零部件要求，設計出零部件的三維模型；
(2)對三維模型進行有限元分析，獲取零件各部分的質量分布、應力分布、形變量和泊松比的參數；
(3)由步驟(2)中獲取的參數，根據零件各部分的質量分布，形變量、應力的大小和泊松比，選擇符合要求的球體結構單元進行填充，形成相應的亞表面結構。
該亞表面結構設計方法還包括：(4)對步驟(3)中設計出的亞表面結構進行進一步的力學分析，分析其是否達到調節形變的目的。
步驟(2)中獲取的泊松比和形變量參數是零件任意部分任意方向上的數值。
步驟(3)中調節形變量的方法包括但不僅限於改變球體結構單元的填充度、材質、球體結構單元之間的位置關係和接觸面大小、球體結構單元在不同部分的填充密度。
在步驟(2)中，對三維模型用UG軟體或ANSYS軟體模擬出該零件在實際使用過程中受到相應外力作用時，實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，在要進一步降低形變量的部位，填充由高強度材質組成的且填充度比原填充度高的球單元，並提高球單元的密度，並根據步驟(2)中得出的參數，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稜錐方式排列，並調整球單元的接觸面積。
在步驟(3)中，在要進一步增加形變的部位，選擇填充由較軟材質組成的且填充度比原填充度低的球單元，並降低球單元的分布密度，同時可以達到節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)中設計的亞表面結構進一步模擬分析，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，並不斷優化結構。
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構，來實現改變零部件力學性能的目的。同時，球作為基本的結構單元，結構簡單，易通過結構設計維持該零件的力學性能。在製造上，本發明的設計完全可以依靠3D列印實現。
通過本發明可以調節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構，在零部件的亞表面中填充球體，通過改變球體的填充度，球體之間的位置關係和接觸面的大小，球體的材質，以及球體在不同部位的填充密度等方面，達到調節零部件形變的目的。並且此設計可以依託3D列印製造出來，3D列印無需考慮零件結構的複雜性以及用料情況。此方法可以用於汽車、輪船、航空等工業製造領域的零部件結構設計上。
如圖1所示，以球體為結構單元，將球按照正三稜錐排列。Z軸方向為步驟(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，且想要在該方向進一步減小形變，當Z軸上再施加力時，這樣的正三稜錐結構可以起到有效的支持作用。
如圖2所示，當步驟(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，且想要在該方向進一步減小形變，也可以採取兩個球體單元相交的關係結構，並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，在受到壓力衝擊時，增加強度。
在想要增加形變量的地方可以採用如圖3所示的結構，即兩個球單元相離，但相離距離較近。採用這種設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，既達到了形成微小形變的目的，又控制形變不至於過大。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。