(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210892448.3 (22)申请日 2022.07.27 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路932号 (72)发明人 易兵　王天赐　刘龙　郑冉　 李智忠　刘家玮　沈欣　 (74)专利代理 机构 长沙智勤知识产权代理事务 所(普通合伙) 43254 专利代理师 吴子鑫 (51)Int.Cl. G06F 30/10(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 119/18(2020.01) (54)发明名称 粉末烧结制造及面向粉末烧结制造的拓扑 优化设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种粉末烧结制造及面向粉 末烧结制造的拓扑优化设计方法， 本发明提出的 面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法能够充 分发挥拓 扑优化设计的优势； 当前对面向粉末烧 结制造的产品的进行结构设计时大多基于工程 师经验， 设计出来的产品的结构性能未达最优， 而本申请中前面向粉末烧结制造的产品的结构 设计由拓 扑优化方案完成， 且本发 明提出的拓扑 优化方案同时包含两相尺寸控制约束和连通性 限制约束， 经过本拓扑优化方案得到了反向模具 的三维模型， 反向模具所对应的产品的结构性能 大大提升。 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 CN 115270217 A 2022.11.01 CN 115270217 A 1.一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法， 其特 征在于， 包括： 构造针对结构件的两相尺寸控制约束； 构造针对结构件的连通 性限制约束； 构建同时包含所述两相尺寸控制约束和所述连通性限制约束的拓扑优化设计模型， 并 基于所述拓扑优化设计模型 得到结构件的轻量 化优化结果： 生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型， 其中， 所述反向模具用于在粉末烧 结制造过程中作为包套， 以使材 料粉末收容在包套中进行烧结制造得到结构件。 2.根据权利要求1所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所 述构造针对结构件的两相尺寸控制约束， 包括： 基于两相投影方法的特 征， 构造差值绝对值函数以限制中间密度； 通过过滤半径控制两相尺寸， 从而实现结构件的两相尺寸控制约束。 3.根据权利要求2所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所 述构造针对结构件的连通 性限制约束， 包括： 基于封闭空腔结构的自身特 征定义结构连续 性作为结构连通 性新的等效描述方法； 通过各向异性亥姆霍兹方程来限制封闭空腔结构的产生， 从而实现结构件的连通性限 制约束。 4.根据权利要求1所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所 述生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型， 包括： 通过COMSOL软件将结构件的轻量 化优化结果输出为 二维优化结果； 将所述二维优化结果输出为VTK 软件中能处 理的非结构化网格数据； 通过软件VTK软件将非结构化网格数据沿法线方向复制叠加以生成三维数据集； 基于MC算法实现三维数据集的表面重建 以生成与所述优化结果对应的反向模具的三 维模型； 将所述优化结果对应的反向模具的三维模型 可视化。 5.根据权利要求4所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所 述将所述 二维优化结果输出为VTK 软件中能处 理的非结构化网格数据， 包括： 通过COMSOL软件将输出的二维优化结果 导出为VT U格式； 采用VTK软件的非结构化网格读取函数实现拓扑优化设计模型的导入； 所述通过软件VTK软件将非结构化网格数据沿法线方向复制叠加以生成三维数据集， 包括： 创建与导入的二维 非结构化网格数据相对应的空白vtk ImageData数据集； 采用Kdtree算法寻找二维非结构化网格数据和对应 的空白vtkImageData数据集的最 近值点； 采用插值 函数将二维 非结构化网格数据上点 值转换为结构化网格上点 值； 将赋值成功的vtk ImageData数据集在其法线方向上进行复制并形成一个三维数据集； 6.根据权利要求5所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所 述基于MC算法实现三维数据集的表面重建以生成与所述优化结果对应的反向模具 的三维 模型， 包括： 采用vtkMarchingCubes类函数实现MC算法， 以实现三维数据 集的表面重建以生成与所权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115270217 A 2述优化结果对应的反向模具的三维模型； 所述将所述优化结果对应的反向模具的三维模型 可视化， 包括： 将重建完成的三维数据集 通过VTK可视化管线 进行渲染， 以实现可视化； 采用vtkSTL Writer类函数将反向模具的三维模型输出为STL格式。 7.根据权利要求1所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所 述生成与所述优化结果对应的反向模具的三维模型， 还 包括： 通过COMSOL软件将结构件的轻量 化优化结果输出为 三维优化结果； 将所述三维优化结果输出为STL格式文件并导入VTK 软件中； 通过VTK软件根据三维优化结果的形状生成相对应的三维 实体原模； 将三维实体原模与三维优化结果进行布尔运算以获得与所述优化结果对应的反向模 具的三维模型； 将所述优化结果对应的反向模具的三维模型 可视化。 8.根据权利要求7所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所 述通过VTK软件根据三维优化结果的形状生成相对应的三维 实体原模， 包括： 通过VTK软件获取三维优化结果对应的vtkPolyData数据， 并基于vtkPolyData数据构 建长方体， 以形成三维 实体原模； 所述将三维实体原模与三维优化结果进行布尔运算以获得与所述优化结果对应的反 向模具的三维模型， 包括： 采用vtkTriangleFilter类函数将优化三维优化结果与长方体表述为三角面片数据结 构； 采用vtkBoole anOperationPolyDataFilter类函数实现三维实体原模与三维优化结果 的布尔运 算， 以得到与所述优化结果对应的反向模具的三维模型。 9.根据权利要求7所述的一种面向粉末烧结制造的拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所 述将所述优化结果对应的反向模具的三维模型 可视化， 包括： 将布尔运算完成后得到的与所述优化结果对应的反向模具的三维模型通过VTK软件可 视化管线 进行渲染， 以实现可视化； 采用vtkSTL Writer类函数将反向模具的三维模型输出为STL格式。 10.一种粉末烧结制造方法， 其特征在于， 应用于如权利要求1 ‑9中任一项所述的面向 粉末烧结制造的拓扑优化设计方法， 所述制造方法， 包括： 将制造得到的反向模具作为包套； 制取材料粉末， 并以所述包套 进行结构件的粉末烧结制造， 包括： 制取材料粉末； 将材料粉末对 包套进行填充和振实； 将振实后的包套 进行封装密封并抽真空； 等待包套内的结构件静压成型； 将成型后的结构件进行烧结成型。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115270217 A 3