面向3D打印的机械结构一体化再设计方法研究

With the continuous and rapid development of 3D printing technology, the ability of the technology to produce large-scale, high-precision and complex structures at a low cost and quickly is continuously enhanced. The assembly structure based on the traditional manufacturing method increases the quality, volume, complexity, and failure rate of the product. At the same time, a large amount of materials and energy are wasted in the production and assembly process. This project proposes to study an integrated redesign method of mechanical structures for 3D printing to solve the above problems. Firstly, a unified computational model with dynamic evolution mechanism is established by means of the integrated redesign method of mechanical structure which based on the theory of polychromatic sets. The unified form of computable model is used to describe the various complex constraints, feature information and their relationships of redesigned objects. Based on this, dynamic evolution rules are designed to generate an integrated structure. Surrogate model is utilized to solve the multi-objective optimization problems with complex integrated mechanical structure which cannot be described with display function models. Furthermore, surrogate model is combined with a structure based multi-objective optimization algorithm to efficiently solve the multi-objective optimization problems with complex integrated mechanical structure obtained by redesign process. Finally, the prototype system is developed. The development of this project will facilitate the wider application of 3D printing technology in production practice and will contribute to the continuous development and improvement of the theoretical system of mechanical structure design methods.

3D打印技术的持续快速发展，使得该技术低成本、快速制造大尺度、高精度复杂结构的能力不断增强。基于传统制造方式的组装结构增加了产品的体积、复杂度和故障率，同时在生产、装配过程中浪费了大量的材料及能源。本项目提出研究面向3D打印的机械结构一体化再设计方法，尝试解决以上问题。首先基于多色集合理论，建立面向机械结构一体化再设计的具有动态演化机制的统一可计算模型，利用这一具有统一形式的可计算模型描述再设计对象的各种复杂约束、特征信息及其相互关系。在此基础上设计动态演化规则，生成一体化结构，通过代理模型解决多目标优化设计中复杂一体化结构无法得到显示函数表达的问题，并与基于结构的多目标优化算法相结合，实现由再设计所得到的复杂一体化结构的多目标优化问题高效求解。最后，开发原型系统，并验证方法的可行性。该研究工作的开展，有利于3D打印技术更广泛的应用于生产实践，有利于机械结构设计方法理论体系的完善和发展。

一般复杂机械产品通常由若干结构较为简单的零部件组装起来，共同构成产品的主体结构。这种组装结构增加了产品的质量、体积、复杂度和故障几率，同时在生产和装配过程中浪费了大量的材料及能源。基于3D打印技术进行基于现有传统制造方式产品结构的一体化再设计，既是解决这一问题的有效途径，也是3D打印应用的重要方向。课题组针对3D打印技术特点，结合国内外相关领域的研究前沿，综合应用先进的建模理论、机器学习技术、动态多目标优化方法等，提出了面向3D打印的机械结构一体化再设计理论和方法。通过课题的研究，基于多色集合理论建立了机械结构一体化再设计的具有动态演化机制的统一可计算模型。并利用这一具有统一形式的可计算模型描述了再设计对象的各种复杂约束、特征信息及其相互关系。在此基础上设计了动态演化规则，使其能够生成一体化结构。通过代理模型解决多目标优化设计中复杂一体化结构无法得到显式函数表达的问题。并与基于结构的多目标优化算法相结合，实现了通过由再设计所得到复杂一体化结构的多目标优化问题的高效求解。同时，针对面向3D打印的机械结构一体化再设计问题的特点，从理论、方法、技术和工具等多个层次探讨了该设计理论和方法的研究框架，实现了基于现有传统制造方式产品结构的一体化再设计。研究工作的开展，有利于3D打印技术更广泛的应用于生产实践，有利于面向3D打印的机械结构设计方法理论体系的不断发展和完善。同时，所发展出的理论和方法也为机械结构设计其他相关问题的解决提供了新的思路和技术，并为复杂系统的集成建模与优化提供了理论基础和方法指导。总体来看，课题研究工作进展顺利，较好的完成的课题预期研究目标。