增材制造&拓?fù)鋬?yōu)化：提高航天零件性能

據(jù)南極熊獲悉，印度國家理工學(xué)院機(jī)械工程系的研究者們將增材制造技術(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合，對(duì)航天支架進(jìn)行看重新設(shè)計(jì)，減輕了零件重量提高了安全系數(shù)，由此證明集成拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和增材制造可以成為設(shè)計(jì)制造輕量化零件的有效工具。

增材制造(AM)技術(shù)是一種先進(jìn)的制造工藝，可用于制造生物醫(yī)學(xué)、汽車和航空航天等領(lǐng)域的零部件。AM工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是可以自由設(shè)計(jì)任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，減少材料浪費(fèi)，縮短生產(chǎn)時(shí)間，但金屬AM工藝中的金屬粉末成本較高。在拓?fù)鋬?yōu)化的幫助下，可以通過減少材料使用量來最大限度地降低生產(chǎn)成本。拓?fù)鋬?yōu)化是在給定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間中估計(jì)最優(yōu)材料分布的過程。

研究內(nèi)容概述：

本研究中研究人員使用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)航天支架進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。研究人員在設(shè)計(jì)過程中不僅考慮了材料使用量，而且考慮了最小殘余應(yīng)力（因?yàn)橛捎谳^高的溫度梯度，在AM工藝中殘余應(yīng)力較大）。研究人員利用CAD對(duì)航天支架進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并通過數(shù)值模擬完成了拓?fù)鋬?yōu)化。采用基于水平集的拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)零件布料進(jìn)行了數(shù)值模擬重新設(shè)計(jì)和安全系數(shù)分析。通過拓?fù)鋬?yōu)化，零件重量減輕了44.8%，安全系數(shù)達(dá)到2.3（采用AlSi12Mg合金材料數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析）。研究人員對(duì)優(yōu)化后的零件進(jìn)行了打印過程進(jìn)行仿真，使制造時(shí)間最短，殘余應(yīng)力最小。模擬的SLM工藝參數(shù)為80W激光功率，掃描速度為1000 mm/s，模擬結(jié)果為90 微米的打印間距產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最小。研究人員利用已發(fā)表的不同類型零件的研究數(shù)據(jù)對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

材料

本研究中所設(shè)計(jì)的航天支架在航空航天應(yīng)用中處于靜態(tài)載荷條件下。為保證零件的輕量化，本研究中選用了耐蝕性好、重量輕的AlSi12 Mg材料。鋁合金常用于航空航天領(lǐng)域，其具有輕質(zhì)特性和優(yōu)異的耐腐蝕性。AlSi12Mg的物理力學(xué)性能如下表所示。

設(shè)計(jì)分析

使用SOLIDWORKS軟件對(duì)零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和修改。該零件承受靜態(tài)載荷條件，支架將用四個(gè)螺栓固定在固定底座上，并在軸承上施加三個(gè)載荷，如下圖所示。用ANSYS 2020 R2軟件進(jìn)行分析，通過選擇材料排除區(qū)域來優(yōu)化零件，并通過改變體積減小百分比來執(zhí)行多次迭代。對(duì)于每次迭代，將針對(duì)邊界條件驗(yàn)證零件，并選擇零件滿足所需邊界條件時(shí)體積的最大減少量。

仿真模擬

研究人員利用ANSYS Additive軟件對(duì)優(yōu)化后的零件進(jìn)行仿真模擬，找出打印零件的最佳參數(shù)。研究人員改變主要的工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度和打印間距，以找到打印零件的最佳條件。選擇掃描速度900 mm/s~1000 mm/s，間距70 mm~9 mm，間隔10 mm，激光功率80~100W，間隔10W的工藝參數(shù)范圍，選擇Taguchi’s L9正交試驗(yàn)表進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化。使用Magics22.03軟件對(duì)零件打印方向進(jìn)行了優(yōu)化。通過最小化支撐結(jié)構(gòu)，可以減少打印時(shí)間和材料消耗，并對(duì)零件進(jìn)行了不同方位的受力分析，找出了產(chǎn)生較小殘余應(yīng)力和較少支撐結(jié)構(gòu)的最佳方位。

結(jié)果和討論

1. 未優(yōu)化零件（原始模型）的受力仿真分析

第一次應(yīng)力加載圖如下：

圖中紅色部分為受力最大的區(qū)域

三次應(yīng)力加載和安全系數(shù)見下表：

2.優(yōu)化零件的分析結(jié)果

優(yōu)化后零件的受力仿真和安全系數(shù)仿真結(jié)果如下圖：

受力仿真結(jié)果                         安全系數(shù)仿真結(jié)果

結(jié)果表明，優(yōu)化后的安全系數(shù)由第一次加載時(shí)的1.54提高到2.23，第二次加載時(shí)的安全系數(shù)從1.61提高到2.25，重量減輕了44.8%。安全系數(shù)的提高是由于梁的整體厚度比原梁增加了厚度所致。利用ANSYS 2020 R2軟件對(duì)托架進(jìn)行了安全系數(shù)模擬，模擬結(jié)果表明，在第三次加載條件下，由于應(yīng)力集中在頸部，托架具有較好的安全系數(shù)，說明該部位可以實(shí)現(xiàn)材料去除。對(duì)原支架模型和重新設(shè)計(jì)的支架模型的安全系數(shù)進(jìn)行了比較。原始模型在所有加載情況下的最小安全系數(shù)為1.5，優(yōu)化后的模型保持最小安全系數(shù)為2。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的使用極大地改變了結(jié)構(gòu)的力傳遞路徑，在優(yōu)化應(yīng)力分布的同時(shí)減輕了結(jié)構(gòu)的重量，從而提高了結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。

3. 方向優(yōu)化結(jié)果

利用ANSYS Additive 2020 R2軟件對(duì)模型進(jìn)行了五個(gè)不同方向的模擬，以估算不同方向的殘余應(yīng)力。通過觀察殘余應(yīng)力的結(jié)果可以看出，90°方向的殘余應(yīng)力較小，支撐結(jié)構(gòu)的體積也較小。

4.參數(shù)優(yōu)化

不同工藝參數(shù)下的殘余應(yīng)力結(jié)果如下：

在1000 mm/s的掃描速度下，80W的激光功率和90 mm的打印間距產(chǎn)生29J/mm3的能量密度。在上述工藝參數(shù)打印下，零件中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與所有其他條件相比要小得多。這可能是因?yàn)槿鄢氐拇笮∫约叭鄢氐膹?qiáng)度對(duì)殘余應(yīng)力有很大的影響。

結(jié)論

1.在ANSYS2020 R2中，基于水平集的拓?fù)鋬?yōu)化算法比基于密度的算法更適用于本次設(shè)計(jì)。

2.拓?fù)鋬?yōu)化減少了航天支架所需材料重量的44%，在所有加載條件下安全系數(shù)高達(dá)為2-2.3。

3.通過選擇具有正確打印方向的最佳工藝參數(shù)，可以最大限度地降低SLM中部件的殘余應(yīng)力。在取向角為90°時(shí)，殘余應(yīng)力最小，且在此條件下使用的支撐結(jié)構(gòu)較少.

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可以查看原文。

改編原文：Hanush S S, Manjaiah M. Topology optimization of aerospacepart to enhance the performance by additive manufacturing process[J]. MaterialsToday: Proceedings, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.02.074