本发明涉及增材制造，具体涉及一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法及系统。
背景技术：
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
2、传统三轴3d打印技术常常受限于层叠打印的固有特性，这意味着打印复杂结构时需要大量的支撑材料，尤其是在制造薄壁结构件时。这不仅增加了材料的消耗，还需要额外的后处理步骤来移除这些支撑，降低了生产效率和最终产品的表面质量。五轴3d打印技术通过引入额外的旋转轴，使打印喷头在传统三轴(x、y、z)基础上增加了两个旋转自由度。这些旋转轴使打印喷头能够在五个方向上自由运动，从而可以实现更加复杂、精细的打印路径。这种多自由度的控制使得五轴3d打印能够制造出传统三轴打印技术无法完成的复杂几何结构和形状，特别是在需要悬垂、复杂内腔或多角度支撑的结构中具有显著优势。
3、在复杂结构的加工制造中，五轴3d打印技术展现了其卓越的设计自由度。例如，在航空航天、汽车、医疗器械等领域，需要制造具有复杂外形和功能的薄壁结构件，通过五轴3d打印，设计者可以更加自由地发挥创造力，设计出符合力学性能要求又具有高结构复杂度的零部件，这不仅能实现拓扑优化结果的完全落地，还能够制造出传统工艺无法实现的复杂内腔、自由曲面和多孔结构，从而提升零部件的性能和功能集成度。
4、五轴打印通过引入旋转轴，实现零件的打印方向的动态调整，薄壁结构件的设计自由度得到进一步提高，在薄壁结构的拓扑优化中，可以充分考虑曲面分层和结构强度的结合，实现自支撑设计，从而减轻重量、节省材料、提高生产效率，使薄壁结构件能够以最小的材料和最优的力学性能进行设计和生产，但是，现有自支撑结构拓扑优化技术多针对三轴打印情况，单一打印方向要求下的自支撑约束条件降低了结构设计自由度，无法发挥五轴打印的优势，限制了五轴打印技术在薄壁自支撑结构制造中的应用。
技术实现思路
1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法及系统，能够实现五轴打印条件下具有最优力学性能的自支撑结构设计。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、第一方面，本发明提供了一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法。
4、一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法，包括以下过程：
5、基于待3d打印的目标模型，构建以结构柔度值最小的目标函数，确定目标函数对设计变量的敏度；
6、构造目标模型的体积约束，确定体积约束对设计变量的敏度；
7、构造目标模型的自支撑约束，基于瞬态热传导方程求解结构温度场，并构造打印方向场，构造基于打印方向场的自支撑约束，确定自支撑约束对设计变量的敏度；
8、根据目标函数对设计变量的敏度、体积约束对设计变量的敏度以及自支撑约束对设计变量的敏度，求解得到设计变量；
9、判断设计变量是否收敛，当设计变量不收敛时重复前一步的求解步骤，当设计变量收敛时结束，得到最终的设计变量。
10、第二方面，本发明提供了一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法。
11、一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法，包括以下过程：
12、基于待3d打印的目标模型，进行网格划分(例如采用apdl进行划分)，使用壳单元对设计域进行离散，对离散后的网格模型施加给定边界条件，基于设计变量插值得到各单元的等效应变模量，进行有限元分析，得到在给定受力条件下的单元应变能信息；
13、构建以结构柔度值最小的目标函数，根据单元应变能信息确定目标函数对设计变量的敏度；
14、构造目标模型的体积约束，确定体积约束对设计变量的敏度；
15、构造目标模型的自支撑约束，基于瞬态热传导方程求解结构温度场，并构造打印方向场，构造基于打印方向场的自支撑约束，确定自支撑约束对设计变量的敏度；
16、根据目标函数对设计变量的敏度、体积约束对设计变量的敏度以及自支撑约束对设计变量的敏度，求解得到设计变量；
17、判断设计变量是否收敛，当设计变量不收敛时重复前一步的求解步骤，当设计变量收敛时结束，得到最终的设计变量。
18、第三方面，本发明提供了一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计系统。
19、一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计系统，包括：
20、第一敏度确定单元，被配置为：基于待3d打印的目标模型，构建以结构柔度值最小的目标函数，确定目标函数对设计变量的敏度；
21、第二敏度确定单元，被配置为：构造目标模型的体积约束，确定体积约束对设计变量的敏度；
22、第三敏度确定单元，被配置为：构造目标模型的自支撑约束，基于瞬态热传导方程求解结构温度场，并构造打印方向场，构造基于打印方向场的自支撑约束，确定自支撑约束对设计变量的敏度；
23、设计变量求解单元，被配置为：根据目标函数对设计变量的敏度、体积约束对设计变量的敏度以及自支撑约束对设计变量的敏度，求解得到设计变量；
24、收敛判断单元，被配置为：判断设计变量是否收敛，当设计变量不收敛时重复前一步的求解步骤，当设计变量收敛时结束，得到最终的设计变量。
25、第四方面，本发明提供了一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计系统。
26、一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计系统，包括：
27、单元应变能信息获取单元，被配置为：基于待3d打印的目标模型，进行网格划分，使用壳单元对设计域进行离散，对离散后的网格模型施加给定边界条件，基于设计变量插值得到各单元的等效应变模量，进行有限元分析，得到在给定受力条件下的单元应变能信息；
28、第一敏度确定单元，被配置为：构建以结构柔度值最小的目标函数，根据单元应变能信息确定目标函数对设计变量的敏度；
29、第二敏度确定单元，被配置为：构造目标模型的体积约束，确定体积约束对设计变量的敏度；
30、第三敏度确定单元，被配置为：构造目标模型的自支撑约束，基于瞬态热传导方程求解结构温度场，并构造打印方向场，构造基于打印方向场的自支撑约束，确定自支撑约束对设计变量的敏度；
31、设计变量求解单元，被配置为：根据目标函数对设计变量的敏度、体积约束对设计变量的敏度以及自支撑约束对设计变量的敏度，求解得到设计变量；
32、收敛判断单元，被配置为：判断设计变量是否收敛，当设计变量不收敛时重复前一步的求解步骤，当设计变量收敛时结束，得到最终的设计变量。
33、第五方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：处理器和计算机可读存储介质；
34、处理器，适于执行计算机程序；
35、计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如本发明第一方面或者第二方面所述的面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法。
36、第六方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序适于被处理器加载并执行如本发明第一方面或者第二方面所述的面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法。
37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
38、1、本发明利用热传导方法，在拓扑优化过程中完成设计域内温度场计算及优化结构的曲面切片，实现了五轴打印条件下的自支撑约束。
39、2、本发明利用结构拓扑优化方法根据五轴打印条件下的自支撑约束条件，求解出最优的结构，可以显著提升自支撑要求下的结构设计自由度。
40、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于，包括以下过程：
2.如权利要求1所述的面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于，
3.如权利要求1所述的面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于，
4.如权利要求1-3任一项所述的面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于，
5.一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于，包括以下过程：
6.如权利要求5所述的面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法，其特征在于，
7.一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计系统，其特征在于，包括：
8.一种面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计系统，其特征在于，包括：
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：处理器和计算机可读存储介质；
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序适于被处理器加载并执行如权利要求1至6任一项所述的面向五轴增材制造的自支撑结构拓扑优化设计方法。
