基于電弧增材制造技術(shù)的電動(dòng)車底盤設(shè)計(jì)方法研究

崔強(qiáng)　邱松　Siddharth Suhas　喻川

摘要：電弧增材制造（WAAM）是一種新興的增材制造技術(shù)，它能夠以較低的成本制造大體量金屬零件。電弧增材制造技術(shù)對(duì)零件的形態(tài)有一定的要求，但是目前的工程優(yōu)化程序很難協(xié)調(diào)零件的可制造性和形態(tài)美感等因素。本文基于設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)理論，以電動(dòng)車底盤為設(shè)計(jì)對(duì)象，探索滿足電弧增材制造要求的數(shù)字設(shè)計(jì)方法。研究強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與形態(tài)優(yōu)化的結(jié)合，力求使新型電動(dòng)車底盤達(dá)到結(jié)構(gòu)性能和形態(tài)美學(xué)的統(tǒng)一。研究改變了底盤的設(shè)計(jì)制造方式，大大縮短了電動(dòng)車底盤設(shè)計(jì)與原型開(kāi)發(fā)的周期，同時(shí)，還減少能源與材料的消耗，使定制化電動(dòng)車底盤的一體化制造成為可能。

關(guān)鍵詞：電弧增材制造;電動(dòng)車;底盤設(shè)計(jì);數(shù)字設(shè)計(jì);形態(tài)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U469 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）06-0026-03

底盤是電動(dòng)車中最為基本的部分，它需要承受電動(dòng)車的設(shè)備和承載重量等。此外，電動(dòng)車底盤的輕量化對(duì)降低能量消耗有明顯作用。因此，底盤必須滿足剛度和強(qiáng)度的要求，并且要盡可能地輕量化。目前電動(dòng)車底盤多由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)所得，然后根據(jù)實(shí)際測(cè)試和軟件分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程成本高、效率低。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，專注于電動(dòng)車設(shè)計(jì)的工程師和設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力和想象力將不再受傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制。此外，增材制造加速了電動(dòng)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原型開(kāi)發(fā)的研發(fā)周期，減少了原材料的消耗，使電動(dòng)車底盤定制化的生產(chǎn)成為可能。希望依靠新的增材制造技術(shù)，使用數(shù)字設(shè)計(jì)方法生成電動(dòng)車底盤，改變傳統(tǒng)底盤設(shè)計(jì)制造方式。

1電弧增材制造技術(shù)概述

增材制造也稱3D打印技術(shù)，是一種通過(guò)材料的逐層連接或凝固來(lái)制造零件的方式。傳統(tǒng)的金屬增材制造方法是使用選擇l生激光燒結(jié)技術(shù)。由于金屬粉末材料非常昂貴，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制造零件的成本非常高。同時(shí)，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制成的部件尺寸受到機(jī)床的尺寸限制，所以這種方法不能制造大體量的電動(dòng)車底盤。

電弧增材制造（WAAM）是一種新興的增材制造技術(shù)，它使用電弧作為熱源，使用金屬線作為原料。用于電弧的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以通過(guò)工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械臂）或數(shù)控機(jī)床（CNC）進(jìn)行，它基本的形式是機(jī)器人焊接技術(shù)。目前，許多公司都在研究這種技術(shù)，特別是航空航天領(lǐng)域的公司。PIX（中國(guó)）、Norsk Titanium（瑞典）、Gefertec（德國(guó)）、Digital Alloys（美國(guó)）都是專注于這項(xiàng)技術(shù)的公司。電弧增材制造技術(shù)還沒(méi)有得到業(yè)界的充分應(yīng)用，這是因?yàn)殡娀≡霾闹圃鞂痈叨燃s為1～2mm，導(dǎo)致模型的表面粗糙度比較高，生產(chǎn)高精度零件需要進(jìn)一步加工。另一個(gè)主要問(wèn)題是電弧產(chǎn)生的高熱度會(huì)引起零件發(fā)生一定量的變形。這些物理限制意味著電弧增材制造技術(shù)還不能取代選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）來(lái)制造非常復(fù)雜，并具有一定的表面光潔度的零件。電弧增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是它的制造成本和生產(chǎn)尺寸，除了機(jī)器人和焊接設(shè)備的費(fèi)用，它的主要成本是原材料（焊絲）和電費(fèi)。對(duì)于電弧增材制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)范圍可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的粉末機(jī)床系統(tǒng)。因此，電弧增材制造技術(shù)可以打印體積大而復(fù)雜的零件，比選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可行性更高、成本更低。低成本優(yōu)勢(shì)與打印大型部件的能力相結(jié)合，使電弧增材制造技術(shù)成為生產(chǎn)復(fù)雜電動(dòng)車底盤的首選。

2基于電弧增材制造技術(shù)的電動(dòng)車底盤設(shè)計(jì)方法

目前用于工程領(lǐng)域的全自動(dòng)優(yōu)化程序只能處理容易定量的因素，如：結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能、應(yīng)力、體積等。在形態(tài)美學(xué)、功能性、可制造性等很多無(wú)法量化的方面卻很難用數(shù)字來(lái)概括，但對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)卻很容易評(píng)估。本文基于設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)理論，探索適用于滿足電弧增材制造技術(shù)的電動(dòng)車底盤設(shè)計(jì)方法。其挑戰(zhàn)在于將制造約束和形態(tài)美學(xué)因素融入數(shù)字設(shè)計(jì)過(guò)程中。電弧增材制造技術(shù)的制造約束包括模型的復(fù)雜度、桿件的半徑、桿件的角度等。

研究首先嘗試了幾種電動(dòng)車底盤設(shè)計(jì)方法，包括使用Autodesk Generative Design、PTC Frustum和Altair Inspire等工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這些軟件擅長(zhǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化，能夠考慮銑削和鑄造等制造約束。但是，這些軟件卻難以考慮更嚴(yán)格的電弧增材制造約束，因此，針對(duì)性地提出了三種解決問(wèn)題的思路和方法：（1）基于黏菌覓食行為開(kāi)發(fā)可以考慮電弧增材制造約束的算法和工具;（2）使用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，并根據(jù)電弧增材制造要求進(jìn)行二次優(yōu)化;（3）手動(dòng)修改結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，使結(jié)構(gòu)滿足電弧增材制造要求。

2.1黏菌算法

第一種方法的靈感來(lái)源于自然界中的黏菌覓食行為。其思路就是把整個(gè)車架分成幾部分，然后通過(guò)黏菌覓食的邏輯來(lái)分別計(jì)算每個(gè)部分的結(jié)構(gòu)。在空間設(shè)計(jì)方面，有一種叫做黏菌的生物在近十年來(lái)倍受研究者的青睞。黏菌雖然名字里有個(gè)菌字，但它不是細(xì)菌也不是真菌，而是一種單細(xì)胞變形蟲(chóng)，也就是一種原生生物。這種菌尋找食物時(shí)會(huì)全面鋪開(kāi)，形成一個(gè)密集的連接網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)找到食物的時(shí)候，沒(méi)有用的分支會(huì)逐漸死掉，只留連接食物的最佳線路。它們通過(guò)這種方式既節(jié)約了能量，又可以得到最多的食物（如圖1）。

黏菌通過(guò)這種方式可以找出連接食物的最佳路徑，所以被用來(lái)解決現(xiàn)實(shí)生活中的路徑規(guī)劃問(wèn)題。黏菌在路徑規(guī)劃方面的研究是從一個(gè)迷宮實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的。隨后被應(yīng)用于模擬東京的鐵路設(shè)計(jì)，工程師們用100多年的時(shí)間優(yōu)化這個(gè)鐵路系統(tǒng)，但是黏菌這種生物只花了短短的26小時(shí)就得到了同樣高效的結(jié)果（如圖2）。

基于黏菌覓食的啟示，如果把電動(dòng)車底盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程抽象成使用一定量的線連接一組點(diǎn)，那么黏菌算法也同樣適用于底盤的設(shè)計(jì)中。Danil Nagy最早把黏菌規(guī)則抽象成幾何系統(tǒng)，并用于Airbus飛機(jī)隔板的設(shè)計(jì)。這個(gè)系統(tǒng)首先需要確定關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)量和位置，就像黏菌一樣，這些點(diǎn)所有的連接線會(huì)被計(jì)算出來(lái)，然后為每個(gè)點(diǎn)隨機(jī)賦予權(quán)重值（食物的數(shù)量），結(jié)構(gòu)路徑會(huì)在權(quán)重最高（食物數(shù)量最多）的點(diǎn)上生成。當(dāng)在這個(gè)權(quán)重最高的點(diǎn)上生成路徑后，這個(gè)點(diǎn)的權(quán)重會(huì)降低，給其它點(diǎn)提供生成路徑的機(jī)會(huì)。最后整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用遺傳算法來(lái)優(yōu)化和調(diào)整權(quán)重分布，從而創(chuàng)建更好的結(jié)構(gòu)。