基于增材制造的機械產(chǎn)品拓撲優(yōu)化設(shè)計與仿真技術(shù)探究

李華雄

摘 要：為提高機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能，加快迭代速度，進一步深化拓撲優(yōu)化設(shè)計與仿真技術(shù)在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用探究，對于機械產(chǎn)品設(shè)計制造一體化提供指導意義。

關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品;拓撲優(yōu)化;增材制造;設(shè)計制造一體化

引言

伴隨著我國制造業(yè)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，機械產(chǎn)品個性化需求越來越高，拓撲優(yōu)化設(shè)計為機械產(chǎn)品提能增效尤為重要。拓撲優(yōu)化設(shè)計出的復雜不規(guī)則構(gòu)型難以通過傳統(tǒng)制造技術(shù)加工成型，然而增材制造技術(shù)基于逐層打印的方式可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復雜的零件?？梢?，拓撲優(yōu)化設(shè)計和增材制造技術(shù)的結(jié)合有效促進現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展。

1 增材制造與拓撲優(yōu)化設(shè)計介紹

1.1增材制造

基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過快速成型設(shè)備，運用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料等可粘合材料，以分層加工、疊加成形的方式逐層增加材料來生成3D實體，大大降低了制造的復雜度。

1.2拓撲優(yōu)化設(shè)計

拓撲優(yōu)化是一種根據(jù)給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。結(jié)構(gòu)優(yōu)化可分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。

尺寸優(yōu)化：以結(jié)構(gòu)件外形或者孔洞形狀為優(yōu)化對象，比如凸臺過渡倒角的形狀等。

形狀優(yōu)化：是在已有薄板上尋找新的凸臺分布，提高局部剛度。

拓撲優(yōu)化：以材料分布為優(yōu)化對象，通過拓撲優(yōu)化，可以在均勻分布材料的設(shè)計空間中找到最佳的分布方案。拓撲優(yōu)化相對于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，具有更多的設(shè)計自由度，能夠獲得更大的設(shè)計空間，最具發(fā)展前景。

2拓撲優(yōu)化設(shè)計與仿真技術(shù)在增材制造應(yīng)用優(yōu)勢

在機械產(chǎn)品拓撲優(yōu)化設(shè)計，一方面可以幫助設(shè)計師根據(jù)產(chǎn)品的性能要求，在指定的設(shè)計空間內(nèi)快速、準確的實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計;另一方面，可以優(yōu)化改善結(jié)構(gòu)性能、減輕產(chǎn)品質(zhì)量，對增材制造過程優(yōu)化和性能驗證，得到一種全新的設(shè)計方案。

而增材制造是可以制造相對復雜的零件，大大解放了結(jié)構(gòu)設(shè)計師的思想束縛，不必過多考慮制造工藝的約束，突破現(xiàn)有設(shè)計極限對結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)及快速試制技術(shù)限制，是優(yōu)化后的設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品的重要途徑。

3拓撲優(yōu)化設(shè)計與仿真技術(shù)在增材制造案例應(yīng)用

solidThinking Inspire采用Altair 先進的 OptiStruct 優(yōu)化求解器，根據(jù)給定的設(shè)計空間、材料屬性以及受力需求生成理想的形狀，設(shè)計人員根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進行再設(shè)計和仿真驗證。以某航空支架部件作為對象進行拓撲優(yōu)化設(shè)計與仿真驗證，如圖1所示。

3.1支架初始強度分析

鑒于支架部件的安裝連接狀態(tài)及功能要求分析，其中材料為鈦合金，材料屬性：楊氏模量115000MPa、泊松比0.33、密度4500kg/m3、屈服應(yīng)力1050MPa。在底部六孔進行固定約束，添加載荷工況如表1所示。

3.2拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)提供的邊界條件對支架進行拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化，指定設(shè)計空間、非設(shè)計空間、優(yōu)化形狀控制、添加載荷（約束和力），以剛度最大為優(yōu)化目標，質(zhì)量和厚度作為設(shè)計約束：

（1）3D打印的工藝可行性;

（2）優(yōu)化后的質(zhì)量，80%的減重;

（3）優(yōu)化后的強度，分析得到拓撲優(yōu)化結(jié)果：強度不超過材料的屈服應(yīng)力，滿足實際的強度需求。

3.3幾何重構(gòu)

根據(jù)支架拓撲優(yōu)化結(jié)果進行幾何重構(gòu)，利用PolyNURBS手動擬合重構(gòu)，將優(yōu)化結(jié)果的網(wǎng)格重構(gòu)成光順外形，并將設(shè)計空間與非設(shè)計空間需要連接成一個整體的實體最終獲得最終的輕量化設(shè)計模型。

3.4強度校核

對重構(gòu)的支架模型再次進行強度分析評估，獲得結(jié)果（包括最大位移，最大應(yīng)力，安全系數(shù)），確保零件的最大應(yīng)力值小于材料屈服應(yīng)力。

3.5 3D打印制造過程仿真驗證

在金屬增材制造過程中，激光功率、掃描速度、層厚和掃描間距等工藝參數(shù)不合理都會影響最終打印件的質(zhì)量。借助Inspire Print3D采用固有應(yīng)變算法，可對重構(gòu)的支架模型進行制造設(shè)計和過程仿真，優(yōu)化減少材料使用量、打印時間和后處理工作，從而降低產(chǎn)品開發(fā)和增材制造成本。

選擇了EOS M290作為打印平臺，3D打印過程可視化仿真，并同時獲得打印過程中溫度及應(yīng)力變化過程，從而實現(xiàn)對支架變形、開裂、翹曲等性能的預測和分析，為修正設(shè)計和優(yōu)化打印工藝提供可靠依據(jù)。

4總結(jié)

增材制造的拓撲優(yōu)化是先進設(shè)計與先進制造的有機融合，可推動機械產(chǎn)品的質(zhì)量提升和性能優(yōu)化，給機械行業(yè)帶來革命性的改變。基于solidThinking Inspire軟件對支架拓撲優(yōu)化設(shè)計與仿真模擬分析，減輕支架重量，提高力學性能，模擬金屬3D打印制造過程，能夠在一定程度上降低工藝實驗成本，擺脫了傳統(tǒng)“試錯”的增材制造模式，為復雜機械產(chǎn)品的增材設(shè)計與制造一體化過程提供了精確的參考依據(jù)。

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