轻量节能型液压阀块设计与增材制造

增材制造液压元件的设计自由度高,目前主要依赖于人工经验,尚缺乏科学的设计准则和方法来指导增材设计,从而科学有效地设计出轻量化、集成化、节能化程度更高的液压元件。总结了一套传统液压阀块的轻量节能设计方法,提出了降低流道局部压力损失的3种设计准则：圆弧过渡准则;最大转角半径准则;转弯数最小准则。在此基础上,对液压阀块进行了重新优化设计并采用选区激光熔化技术（Selective laser melting,SLM）制造。与传统原型液压阀块相比,增材制造成形液压阀块的质量减轻了81%,空间体积减小了46%,同时主油路压损降低了20%以上,表明新型液压阀块的设计同时实现了轻量化和液压能传输效率的提高。最后,还提出了一套液压阀块的增材设计流程,可为轻量节能型液压元件的增材设计提供理论指导。     

增材制造成形液压流道沿程损失研究

选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)作为一种金属增材制造技术,克服了传统加工方式下的成形限制,为液压元件与系统的设计提供了更大的自由度。流道是液压元件与系统的重要组成部分,而目前成形的无支撑圆形流道往往具有较低的轮廓精度和较高的表面粗糙度,这对液压系统的能量损失影响很大。利用SLM技术成形了具有不同直径的水平流道,测量了轮廓精度和表面粗糙度,设计了沿程压力损失测量装置,实验后分析了沿程阻力系数、雷诺数和直径之间的关系。结果表明,随着直径的增大,成形轮廓相对误差减小;成形流道下表皮粗糙度较其他面更高;相同工况下,沿程压力损失比传统加工流道更大。     

基于增材制造的Y形流道压力损失建模研究

增材制造技术因其能够成形复杂结构而适用于高集成轻量化的液压系统,但增材制造成形流道的壁面粗糙度与传统钻削及铸造加工的流道不同,尤其是复杂管路系统中的流道分支结构,经典压力损失计算模型无法直接使用,迫切需要研究增材制造成形流道的压力损失数学模型。因此,以典型的流道分支结构——Y形流道为研究对象,应用伯努利方程、动量定理及达西公式建立其压力损失数学模型,并得到增材制造的成形角度对流道壁面粗糙度的影响。利用仿真分析分流比、分支角度及流道直径对压力损失的影响规律,初步验证Y形流道压力损失数学模型的准确性。搭建Y形流道压力损失测试试验台,利用增材制造加工Y形流道测试件,测定不同分流比、分支角度及流道直径下的流道压力损失。结果表明,不同参数下Y形流道压力损失数学模型计算结果与仿真分析结果平均误差均在9%之内,而不同参数下Y形流道压力损失数学模型计算结果与试验测试结果平均误差均在8%之内。研究成果可为增材制造成形低损耗管路的设计奠定基础。     

基于固有应变法的卫星支架结构SLM变形趋势仿真

选区激光熔化技术为航天器的设计和制造提供了更大的自由度,在成形复杂结构方面具有明显优势。然而,SLM过程中需要添加支撑以保证零件成形,由于金属材料在热力学性能方面与非金属材料有较大差别,成形过程更易变形,因此SLM工艺对材料的热导率、抗变形能力更加敏感。由于缺乏增材制造工艺的标准与规范,现阶段粉末床增材制造仍然沿用传统的"试错"模式,SLM成形带有支撑结构的复杂零件时仍有变形和开裂问题,造成了材料和机器时间的浪费。针对一种拓扑优化结构,在宏观层面上模拟4种不同支撑方案的SLM工艺过程,预测4种方案的应力和变形情况,探索最佳成形方案,最后对比实际打印结果和仿真结果,从而分析仿真模型的精确性和误差来源,为SLM工艺方案的制定提供参考。     

金属增材制造液压阀块内部流道优化设计研究

液压阀块是液压系统的重要组成部分，采用锻造-钻铣传统方法加工的流道只能采用直孔形式并且管路交叉沟通不灵活。选区激光熔融增材制造克服了传统加工的限制，可实现两端盲孔流道加工、任意走向及任意曲率流道加工，并能剔除非必需质量，实现液压阀块的集成化、轻量化和节能化设计。与传统阀块相比，金属增材制造液压阀块体积降低30%以上，重量降低50%以上。但是金属增材制造受到悬垂部件阈值角度限制，传统圆形截面流道加工存在局部支撑结构，而阀块内部复杂流道的支撑结构很难去除，因此削弱了增材制造技术在轻量化和节能化方面的效果。以减少内部流道的辅助支撑为目标，提出采用异形截面流道的设计方案，通过理论分析和仿真对比，实现少支撑甚至零支撑的内部流道设计效果，为液压元件的增材制造技术提供理论支撑。     

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。     

流道截面与增材制造加工工艺参数对液压集成块成型质量的影响

液压系统广泛应用于工程领域,提高功率密度是其重要发展方向,其中液压集成块轻量化设计是提高功率密度的有效手段.通过增材制造(AM)灵活的加工特性能使集成块重量降低,是高功率密度液压驱动的一种有效的设计方法,但目前增材制造加工的流道存在塌陷形变、尺寸精度低、内部流道粗糙度高等问题.以提升增材制造流道成型质量为研究目标,选区...     

基于SLM工艺的航空铝合金支架的轻量化设计

金属增材制造技术以其可以高效成型复杂结构的优势,逐渐成为一种成熟的制造手段。金属增材制造在可以成型复杂结构的零组件整体,在减少连接机构和连接工艺的同时,也可以成型出传统工艺无法成型的空前形状结构的部件,从而达到轻量化的目的。文中通过有限元分析对原始设计进行了数值计算,随后通过拓扑优化、形状优化等手段,对其进行结构上的重新设计。该设计结合了激光选区熔化(SLM)的成型优势,最终使质量减轻24.5%,工况加权刚性提升38.3%,框架体积减少12.2%,位移量最大减少32.7%。     

航空发动机复杂控制构件创新设计与快速成形

分析了航空发动机传统复杂控制构件深孔加工的难点及直角转弯交叉孔流场特性。基于选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术的创新设计和快速成形在新一代航空发动机控制系统复杂构件研制中的优势不断显现:通过运用集约化和轻量化的设计思路,改变了传统的设计模式和产品架构。通过设计随形流道,降低了液流运动过程中的能量损失。通过支撑优化设计、成形过程模拟等工艺设计和仿真,减少了试错过程,提升了研发效益,实现了产品研制快速迭代。     

增材制造液压集成阀块仿生结构设计

液压集成阀块在工程机械中发挥重要作用,此类重型零件对轻量化和高效化需求日趋明显,但传统制造工艺已经无法满足该需求。金属增材制造是利用数字几何模型来分层成形、逐层累积的新兴零件制造技术,其独特的成形机制对生产具有复杂多向中空管道的零部件极具潜力和优势。受启发于植物叶脉并结合选区激光熔化技术成功建立典型Y型分岔流道模型,并通过计算流体力学加之验证;在该仿生理论指导下完成某悬挂阀基于增材制造的优化、设计及制造,较之原型阀块压力损失减小68%,并在空间体积不增大的前提下质量减轻62%。上述工程实例充分说明该仿生优化方法的可行性,同时也有力地验证了基于增材制造利用仿生设计是提高液压集成阀块功重比的有效手段。     

基于增材制造的液压阀块流道过渡区优化研究

器件小型化和集成化发展趋势,对液压阀块设计提出了更高的要求.传统工艺加工阀块体内部流道,不但工艺复杂难加工,而且成形的流道流动特性有待提高.新型制造工艺增材制造一体化成形的特点使其在流道加工方面表现出很大的优越性.基于增材制造,对某一液压集成阀块的流道过渡区进行优化设计,利用Fluent仿真,对直线过渡、圆弧过渡、B样...     

一种全封闭蒙皮点阵支撑结构的优化设计与试验验证

随着人类航天活动范围的不断扩大,复杂航天任务对于结构轻量化技术提出了更高的要求。在传统的结构形式基础上,单纯通过应用高性能材料等手段已经无法满足后续航天任务对于航天器载荷支撑结构轻量化的要求。提出一种封闭蒙皮包裹三维点阵层级结构的设备支撑结构形式,建立设备支撑结构的拓扑优化设计模型,并对优化后的结构进行封闭蒙皮包裹三维点阵化设计。运用激光选区熔化方法制备了支撑结构实物,并进行了振动力学试验验证,试验结果表明设备支撑结构比采用传统设计及制造方法的结构减重46.4%,实物已应用于某型号卫星载荷支撑任务。提出的封闭蒙皮包裹三维点阵的结构形式可以有效提高支架类结构的设计效率,在航天器结构轻量化方面具有推广应用前景。     

轻量化复合材料液压缸现状及挑战

液压元件及系统广泛应用于运载设备、重载机器人和飞行器等移动装备。出力大、功重比高是液压传动区别于其他传动最明显的优势之一。液压缸作为液压系统最主要的执行元件,现有技术的液压缸重量大,严重制约主机性能提升,其科学减重可进一步提升功重比,对实现装备的节能减排,提高承载能力、机动性能和续航能力具有突出意义。通过深入剖析轻量化复合材料液压缸的迫切需求、轻量化途径、轻质材料选择、研究现状与市场现状,对轻量化复合材料液压缸的发展进行综述。强度-密度比极高的纤维增强聚合物复合材料（Fiber reinforced polymer,FRP）,是高压轻量化液压缸的优选材料,减重潜力巨大。结合应用FRP制造轻量化液压缸的约束条件,重点阐述各向异性FRP的设计参数影响规律、异质材料复合结构设计、异质材料复合结构控形控性制造、密封-摩擦副、性能表征等5个挑战。论述面向轻量化、耐高压、低泄漏、低摩擦、耐疲劳等特征的液压缸的主要挑战和发展趋势。     

“液压元件与系统轻量化设计制造新方法”基础理论与关键技术

高端移动装备重量严重制约着其续航能力、机动性能和承载能力,对其减重不仅有利于提高装备性能,还可实现节能减排,有利于加速碳达峰和碳中和进程。液压系统作为高端移动装备的重要组成部分,占有非常大的功率和重量,是高端移动装备实现轻量化的关键。从液压系统级介绍轻量化设计理论、小型化液压油源和一体化电液执行器的研究进展及成果,从液压元件级介绍碳纤维液压缸、非金属液压油箱和集成单元增材制造的制造工艺和方法的研究进展及成果,并简要介绍其中的基础理论与关键技术,总结液压元件与系统轻量化发展的研究热点及重要解决途径。     

激光选区熔化技术及其在个性化医学中的应用

激光选区熔化是一种精密金属增材制造技术,可以成形任意复杂的功能零件。个性化医学用品需要具有个性化的几何外形和良好的生物性能,为了探究激光选区熔化在个性化医学用品中的应用,采用DiMetal系列激光选区熔化设备成形医用金属材料如316L不锈钢、CoCrMo合金、Ti6Al4V,并对医用金属材料成形致密度、成形力学性能和几何结构成形性进行了研究。通过个性化设计和DiMetal系列激光选区熔化设备,设计与制造了个性化牙冠、舌侧正畸托槽、手术模板、全膝置换股骨远端假体、股骨近端假体、颅骨修复体等医学用品。研究证明DiMetal系列激光选区熔化装备、工艺可用于个性化医学用品的快速制造,这为个性化医学用品的快速响应设计与制造提供了一种新的手段。