優(yōu)化后的電弧增材制造鋼桁架的試驗(yàn)與分析

來源：增材制造金屬結(jié)構(gòu)

本文介紹了一種金屬增材制造（AM）方法——電弧增材制造（WAAM），它可以以經(jīng)濟(jì)有效的方式制造復(fù)雜形狀的大型結(jié)構(gòu)單元，為釋放結(jié)構(gòu)優(yōu)化的真正潛力提供了機(jī)會。為了展示這種潛力，研究人員通過WAAM制造了兩個優(yōu)化的鋼懸臂桁架，并對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了測試。測試樣品由不同直徑和厚度的管狀截面構(gòu)成，利用三維激光掃描確定測試樣品的幾何特征，并采用數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC）監(jiān)測測試過程中的位移場和應(yīng)變場。文章提供了實(shí)驗(yàn)方案的詳細(xì)信息，對所獲得的結(jié)果進(jìn)行了分析，并與等效的傳統(tǒng)參考設(shè)計進(jìn)行了比較。此外，還介紹了補(bǔ)充數(shù)值模擬（FE software ABAQUS）的結(jié)果，以進(jìn)一步了解所研究試樣的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特定特征。研究發(fā)現(xiàn)，所有優(yōu)化的桁架的結(jié)構(gòu)效率（以體積與質(zhì)量比為度量）至少比相應(yīng)參考設(shè)計高出80%，突顯了WAAM與先進(jìn)優(yōu)化方法相結(jié)合所能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)效率方面的優(yōu)勢。

研究背景
電弧增材制造（WAAM）是一種定向能量沉積（DED）AM方法，近年來在航空、汽車、生物工程和海洋等多個行業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。WAAM具有幾乎沒有幾何限制的特點(diǎn)，可以制造復(fù)雜幾何形狀的材料高效結(jié)構(gòu)。本研究旨在通過優(yōu)化設(shè)計和WAAM制造方法，展示W(wǎng)AAM與先進(jìn)優(yōu)化方法相結(jié)合在結(jié)構(gòu)效率和自動化方面的優(yōu)勢。研究通過制造優(yōu)化的WAAM懸臂桁架，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬分析，評估其結(jié)構(gòu)性能和效率。

實(shí)驗(yàn)方案
這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)是測試和分析優(yōu)化的電弧增材制造鋼桁架的性能。研究如何通過優(yōu)化幾何形狀和材料使用來提高鋼桁架的性能。為了解決這個問題，研究采用了以下方法：

幾何優(yōu)化：通過使用有限元建模和優(yōu)化算法，對鋼桁架的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化，以提高其性能和負(fù)荷承載能力。

圖1 確定桁架幾何形狀所采用的優(yōu)化過程

材料使用優(yōu)化：通過分析鋼桁架的應(yīng)力分布和應(yīng)變情況，確定每個部件的最佳厚度，以最大程度地利用材料的強(qiáng)度。優(yōu)化后的桁架具有兩種不同的標(biāo)稱厚度(即tnom = 3.5 mm和tnom = 4.5 mm)

圖2 優(yōu)化后的懸臂桁架

實(shí)驗(yàn)測試：制造優(yōu)化的鋼桁架，并進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)測試，包括加載測試和位移測量。通過測試，評估鋼桁架的性能和負(fù)荷承載能力。

圖3 懸臂桁架的加載測試準(zhǔn)備

圖4 懸臂桁架光學(xué)測量前表面預(yù)處理

圖5 懸臂桁架的位移測量準(zhǔn)備

數(shù)值模擬：使用有限元分析軟件（FE software ABAQUS）對優(yōu)化的鋼桁架進(jìn)行數(shù)值模擬，以進(jìn)一步了解其結(jié)構(gòu)響應(yīng)和負(fù)荷承載能力。

圖6 懸臂桁架的有限元模型

試驗(yàn)結(jié)果

（1）破壞形態(tài)
兩個試件在圖7(c)所示(白色虛線圈住)的接縫處，均發(fā)生了3.5 mm厚管狀構(gòu)件的拉伸斷裂，如圖7(a)所示。在峰值荷載下，典型的DIC應(yīng)變場如圖7(c)所示，其中所有桁架構(gòu)件都受到了嚴(yán)重的應(yīng)力，表明由于優(yōu)化了桁架結(jié)構(gòu)的幾何特征，材料得到了的充分利用。圖7(b)為斷裂部位應(yīng)變場的近景圖，應(yīng)變水平接近材料的極限拉伸應(yīng)變(εu = 0.13)。

圖7 (a)拉伸斷裂破壞  (b)斷裂部位應(yīng)變場特寫  (c)極限荷載時桁架結(jié)構(gòu)整體DIC應(yīng)變場

（2）主要結(jié)論

本文的研究旨在測試和分析優(yōu)化的電弧增材制造鋼桁架的性能。研究結(jié)果表明，通過電弧增材制造（WAAM）技術(shù)和優(yōu)化方法相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)材料的減少和結(jié)構(gòu)效率的提高。具體結(jié)論如下：

（1）通過優(yōu)化設(shè)計和WAAM制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)鋼桁架的輕量化和材料的節(jié)約。優(yōu)化的鋼桁架的質(zhì)量（和典型橫截面積）比參考設(shè)計低18%，但其體積質(zhì)量比至少比參考設(shè)計高80%。

表1  WAAM懸臂梁的幾何性質(zhì)

圖8 WAAM桁架試驗(yàn)荷載-撓度曲線

（2）通過實(shí)驗(yàn)測試和有限元模擬，驗(yàn)證了優(yōu)化的鋼桁架的承載能力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化后的鋼桁架在受載過程中表現(xiàn)出良好的性能，達(dá)到了設(shè)計要求。

表2  WAAM桁架性能評估

圖9 試驗(yàn)桁架與有限元桁架荷載-變形曲線對比

（3）通過數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，可以對鋼桁架的位移和應(yīng)變進(jìn)行全場測量。DIC結(jié)果顯示，在峰值載荷下，所有桁架構(gòu)件都受到了較大的應(yīng)力，反映了優(yōu)化幾何形狀實(shí)現(xiàn)的材料的充分利用。

圖10 極限荷載時桁架結(jié)構(gòu)整體DIC應(yīng)變場

綜上所述，本研究表明，通過優(yōu)化設(shè)計和電弧增材制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)鋼桁架的輕量化和結(jié)構(gòu)效率的提高，為金屬結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域提供了新的制造方法和設(shè)計思路。