基于增材制造的设计理论和方法研究现状

介绍了增材制造(3D打印)的概念和特点,并结合该技术的发展背景,从增材制造设计理念的形成、增材制造设计的基础晶胞单元结构研究和增材制造拓扑优化设计分析软件及应用等3个主要研究领域,详细介绍了基于增材制造的设计技术在国内外的发展现状及趋势,并结合我国航空航天产品的结构特点和发展趋势,对基于增材制造设计的研究方向提出了几点建议。     

基于各向异性亥姆霍兹方程的空腔连通性约束拓扑优化设计方法

针对增材制造加工拓扑优化结构存在的内部空腔难以加工和支撑材料无法去除的问题,提出一种基于各向异性亥姆霍兹方程的拓扑优化方法,能够简单有效地实现考虑空腔连通性约束的结构拓扑优化。首先,根据封闭空腔结构特点,定义了结构连续性作为结构连通性的等效描述,便于在拓扑优化框架内添加连通性约束;然后,采用各向异性亥姆霍兹方程,通过设置各向异性参数保证实体结构在特定方向上的连续性,构建了包含空腔连通性限制的拓扑优化模型;最后,采用MMA算法求解拓扑优化模型,实现了考虑空腔连通性约束的结构拓扑优化。多个优化算例结果表明,相比于传统方法,该方法能够在不添加新的约束条件和中间变量的基础上,即可抑制拓扑优化设计中封闭空腔结构的产生,构成面向增材制造的拓扑优化结构。同时,该方法很容易拓展到考虑传统制造约束的拓扑优化模型中,避免设计中出现封闭空腔结构。     

考虑增材制造倾角约束的结构拓扑优化方法

为解决悬臂结构增材制造过程中的自支撑问题,本文提出了一种考虑制造倾角约束的结构拓扑优化方法,建立了满足增材制造倾角约束的单元密度更新迭代规则。以结构柔度最小为优化目标,得到了具有倾角约束的拓扑构型,采用熔融沉积型技术进行制备。结果表明,考虑增材制造倾角约束的连续体结构拓扑优化方法是有效的,该方法能够控制拓扑构型的倾角,可以实现在不添加额外支撑结构的情况下直接进行增材制造。     

面向增材制造的航空发动机外部系统支架拓扑优化设计

分析了严酷载荷工况下航空发动机外部系统支架的力学性能,以两种极限载荷工况下的支架柔顺度为目标函数,采用增材制造材料横观各向同性模型,开展了面向增材制造的外部系统支架拓扑优化设计与性能校核。金属激光增材制造样件的力学试验表明：面向增材制造的支架设计较初始结构质量减小约15%,刚度增大约20%,一阶固有频率提高约15%,结构强度显著增大。该方案实现了1个外部系统支架、2个管路支架和4颗铆钉的一体化增材制造,有效提升了发动机装配质量和效率,顺利通过地面静载和发动机点火试验。     

基于增材制造的空间反射镜拓扑优化设计

传统的空间反射镜存在研制周期长、成本高的问题,为了缩短反射镜的研制周期并节约成本,将拓扑优化与增材制造技术相结合,以满足反射镜面形精度要求为前提,对高轻量化率的反射镜结构进行了拓扑优化设计与增材制造。首先,在确定反射镜材料和初始参数后,建立了反射镜的拓扑优化数学模型,并在拓扑优化中引入了可制造性约束,获得了满足面形精度要求的反射镜背部创新加强筋结构;然后,对反射镜模型进行了有限元分析,分析了缩比模型与原尺寸模型的等效性;最后,采用选区激光熔化技术,以AlSi10Mg铝合金粉末为材料,进行了反射镜缩比模型增材制造试验。研究结果表明：在自重载荷下,光轴竖直方向裸镜面形精度达到峰谷值164.3 nm,均方根值27.6 nm,优化后的反射镜质量为4.75 kg,轻量化率达到了85%,实现了反射镜高轻量化率设计;采用增材制造技术后,获得了高度还原拓扑优化反射镜结构的效果,可为空间反射镜的高效研制提供参考。     

液压流道局部拓扑优化与增材制造

液压阀块是液压系统的重要组成部分,降低液压阀块的压力损失对实现液压系统节能化、提高功重比意义重大。选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术是一种增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术,基本突破了减材、等材等传统加工方式的设计约束,结合拓扑优化方法,可大大提高液压阀块及其流道的设计自由度。以降低流道局部压力损失为研究目标,对流道局部压力损失较大的拐弯处进行拓扑优化设计,并采用SLM技术成形,优化设计后流道的压力损失明显降低。进一步探究弯管压力损失的主要影响因素——迪恩涡,定量分析了拓扑优化流道降低压力损失的原理,结果表明,拓扑优化得到的变截面流域通过改变流域的弯曲程度,使迪恩涡对压力损失的影响降到最小,从而有效降低流域内的压力损失。对增材制造液压元件及其流道的设计具有重要指导意义。     

面向增材制造产品的全生命周期绿色设计平台研究

围绕增材制造产品全生命周期,以其绿色设计为主线,开展面向增材制造产品的绿色设计相关技术研究,构建绿色设计信息数据库、设计框架以及设计资源共建共享平台.形成增材制造产品绿色设计与制造一体化工艺技术创新,推进高性能、轻量化复合绿色材料的应用.通过制定增材制造绿色设计标准,对增材制造产品生命周期优化设计作出评估分析,打造更具数字化绿色设计平台.     

基于人工制造约束的三维拓扑优化设计方法

为了更好地解决三维拓扑优化工程实用化的问题,提出了基于人工制造约束的拓扑优化设计方法。该方法在拓扑优化过程中实时地监控拓扑优化结果,并借助设计人员的工程经验,实时地加入符合制造工艺成型的约束条件辅助计算进行机拓扑优化设计。钢结构拱桥算例中以有限元软件ANSYS为平台进行二次开发、以双向渐进结构优化法为核心算法通过人为干预实现了在拓扑优化过程中钢结构拱桥斜支撑向竖直支撑的转变。通过对比发现该方法的优化结果与实际拱桥模型结构相似,表明了该方法是有效的和可行的。     

面向选区激光熔化增材制造的多孔结构设计与力学性能分析

面向选区激光熔化(Selective laser melting, SLM)增材制造轻质高强多孔结构的需求,采用拓扑优化设计方法,通过调节孔隙率和载荷施加位置对正六面体进行结构优化,得到了点、线和面拓扑多孔结构,并利用SLM技术制备了AlSi10Mg多孔结构试样。通过压缩试验测试多孔结构的力学性能,采用有限元法分析多孔结构的破坏机理。结果表明,随着孔隙率的增加,点、线和面拓扑多孔结构的屈服强度和弹性模量逐渐降低。有限元分析表明,面拓扑多孔结构的应力分布是最均匀,在相同压缩位移下,面拓扑多孔结构的力学性能最佳,线拓扑多孔结构次之,点拓扑多孔结构的力学性能最差。该结果证明了面拓扑优化是三种优化方式中最理想的一种。采用经典的Gibson-Ashby模型建立了力学性能与几何参数之间的数学关系,可用来预测三种多孔结构的孔隙率与力学性能关系,为多孔结构的应用提供了理论依据。     

面向制造的连续体结构拓扑优化设计方法研究

为了更好地解决结构拓扑优化的工程实用化问题,研究了一种面向制造的连续体结构拓扑优化设计的方法,即面向制造的分级拓扑优化方法。该方法可使优化结果同时满足设计性能和制造性能的要求。为消除数值不稳定,研究了密度和敏度混合高斯函数过滤算法,该算法能有效解决棋盘格式及网格依赖等数值不稳定问题,并能获得良好的优化结果。利用研究的分级拓扑优化方法和有关算法,对经典算例进行计算,所得结果验证了该方法的可行性和有效性。     

增材制造设计(DfAM)设计自由度和研究现状分析

增材制造的发展进入稳定成长期,面向增材制造的设计方法亟待研究和向终端用户普及,以改善产业链下游的应用领域局限且市场份额不高的局面.文章首先归纳了面向增材制造的设计自由度和设计约束,接着对当今增材制造的设计仿真软件和国内外标准进行了总结,最后综述了关于增材制造设计方法的国内外研究现状,并作出了分析和展望.     

一种增材与减材复合制造机研究

为了综合增材制造与减材加工的优点,研制了一台熔融增材制造与铣削减材复合加工机,采用龙门结构,总体尺寸为700 mm×640 mm×780 mm。该机床有3个直线轴和一个回转轴,控制系统采用MACH3控制系统。机床结构采用有限元软件Abaqus进行了优化和分析,并制造了样机。针对PEEK材料脊柱融合器,在该样机上进行了增材与减材制造,验证了所研发机床的性能以及该复合制造机床在医疗PEEK材料增减材制造的潜力。     

基于增材制造的悬臂类结构抗倾覆拓扑优化方法

在悬臂类结构的增材制造过程中,其结构的重心在竖直方向上的投影必须位于底端支撑区域之内以防倾倒。基于此本文提出一种质量分布更新方法,使每一次迭代后的质量分布满足悬臂结构重心沿竖直方向的投影始终位于底端支撑区域之内。将该算法应用拓扑优化方法中,并添加增材制造的倾角约束,优化得到具有抗倾覆稳定性的悬臂结构。对该构型进行3D打印实验验证,结果表明加入质量分布更新算法的拓扑优化悬臂结构能够凭借自重稳定站立,具有抗倾覆稳定性。     

基于HyperWorks的注吹机上模板的拓扑优化设计

根据传统的设计方法,初步确定模板的尺寸,再基于软件HyperWorks对模板进行有限元分析并采用拓扑优化方法设计模板结构。建立了模板的有限元模型并对其进行静力学分析。对模板进行拓扑优化设计并根据拓扑优化分析结果、模板的设计和制造工艺要求,获得了拓扑优化后的模板结构。拓扑优化方法为模板的创新性设计提供新的途径,能有效地解决工程设计中的实际问题。     

三平移全柔性并联机构多目标拓扑优化设计

为满足精密定位和微纳制造领域对全柔性并联机构构型设计的需求,基于三平移并联机构原型,采用多目标拓扑优化理论,得到了一种结构配置较佳的新型全柔性并联机构。首先,基于单目标的柔度优化模型和固有频率优化模型,运用线性加权法建立了机构的多目标拓扑优化模型。然后,基于HyperWorks/OptiStruct软件和优化准则算法对机构进行拓扑优化设计,得到了拓扑优化后的新型全柔性并联机构。最后,通过HyperMesh软件对拓扑优化前后的机构进行静力学分析和模态分析,从而验证了多目标拓扑优化设计的有效性。     

Frontiers of Mechanical Engineering《结构拓扑优化》专栏征稿

<正>近年来,制造材料的新技术和发现鼓励研究人员研究自然无法获得的材料特性的外观。诸如增材制造之类的制造技术的进步为生产具有复杂的晶格/孔格材料微结构的多尺度结构提供了前所未有的机会,以满足对具有定制功能的零件日益增长的需求。但是,现有技术的多尺度拓扑优化方法仍然难以实现使用蜂窝材料的可制造多尺度设计,部分原因是在平铺材料微结构时存在不连通性问题。通过结构拓扑优化方法的研究,可以一定程度解决这类制造问题。本刊设立"结构拓扑优化"专题的主要目的是汇集研究人员和从业人员在创新设计各个方面的新思路,新经验和研究成果,提供交流平台。"结构拓扑优化"专题相关信息:     

TiAl基合金的增材制造技术研究进展

TiAl基合金是一种新型的轻质高温结构材料,在航空、航天领域具有很好的应用前景.增材制造技术作为一项先进的快速近净成形技术,非常适合用于具有复杂结构、高精度要求的发动机高温结构件的制造.在分析相关文献的基础上,评述了国内外TiAl基合金增材制造技术主要研究进展,包括激光熔化沉积、激光选区熔化、电子束选区熔化和电弧熔丝等增材制造方法的原理、优势和最新进展情况,以及TiAl基复合材料和有关梯度材料的研究现状,分析了现阶段TiAl基合金增材制造技术的不足,并在增材制造用TiAl基合金成分设计、工艺优化与组织性能改善、新型TiAl基材料开发和复合增材制造技术探索等方面提出了展望.     

基于增材制造的民用飞机吊挂金字塔梁设计初探

介绍了某新型先进民用飞机吊挂金字塔梁的结构,分析了传力路径。采用变密度法建立结构拓扑优化数学模型,研究梁承受极限载荷时最大应力与变形发生的数值和位置。结合先进增材制造工艺,对金字塔梁进行了结构优化。     

拓扑及参数优化方法在专用汽车车架结构设计中的应用

提出了将拓扑优化理论和结构参数优化方法综合应用于集装箱半挂车车架结构设计中的设计思想。在结构设计的开始阶段引入拓扑优化理论．先对结构进行布局优化,以获得较合理的初始结构方案,再通过结构参数优化设计,得到满足其强度和刚度及设计工艺要求的最优结构。探讨了拓扑优化设计过程中,基本结构建立、优化过程控制及优化结果分析与应用等问题。在ANSYS软件平台上进行了CAE软件包的二次开发．设计了集装箱半挂车车架优化设计专用软件模块。     

基于逆向工程和拓扑优化的转向节轻量化设计

逆向工程与拓扑优化技术广泛应用于汽车零部件轻量化设计,特别是结构轻量化、工艺轻量化等方面。采用逆向工程和拓扑优化方法对某型车辆转向节进行了轻量化的研究。首先采用逆向工程,在转向节的外表面喷涂显像剂,运用手持式三维扫描仪对转向节进行数据采集,基于Geomagic Wrap软件完成转向节点云数据的优化,点云数据封装,建立起转向节三维模型;其次确定转向节优化的边界,对转向节开展静力分析,根据转向节装配要求与设计经验,重构出转向节优化设计空间,以最小体积为优化目标,采用变密度法完成转向节的拓扑优化设计;然后根据拓扑优化设计结果,结合结构制造工艺,重构转向节结构,并开展有限元静力分析验证,最终实现了转向节的轻量化设计。