面向选择性激光熔化工艺的零件轻量化少/无支撑优化设计方法研究

摘要

在节能减排、绿色环保、降本增效等目标的驱动下，航空航天、汽车等领域对产品轻量化设计加工的需求日益迫切。实现产品轻量化的途径主要包括新材料应用、新型结构设计及特种加工工艺的应用。选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）是一种基于粉末床的金属增材制造技术，具有复杂内部结构构造能力强、无需工装/模具、快速适应产品设计变化、材料利用率高等优点，近年来在航空航天、医疗等领域得到了广泛深入的应用。在产品轻量化方面，SLM技术在新材料、新型结构设计及成形工艺方面均可为产品轻量化提供新的空间，而在SLM加工工艺及材料确定的情况下，创新产品结构设计是实现轻量化的主要途径。
　　采用SLM技术加工具有悬空面结构的零件时通常需要设计支撑结构，设计加工支撑结构的缺点如下：（1）支撑结构去除困难，特别是具有复杂内部曲面结构的零件，或钛合金等难加工材料零件；（2）零件整体设计制造时间增加，包括支撑结构设计时间、SLM加工时间及后处理时间；（3）整体设计制造成本增加，包括支撑结构设计费、支撑结构材料费、加工费及后处理费。
　　综上所述，基于SLM技术在轻量化设计方面的优势，以及设计支撑结构导致的时间、成本增加问题，本论文开展面向SLM工艺的零件轻量化少/无支撑优化设计方法研究。论文主要研究内容及结论如下：
　　①基于SLM工作原理分析了SLM自由设计优点，阐述了SLM自由设计内涵。基于SLM自由设计优点及工艺约束，提出了面向SLM工艺的结构自由设计方法，包括自由材料设计、自由面设计、去标准化设计、自由内部结构设计、无刀具约束设计、无装夹约束设计、无模具约束设计，为设计人员提供设计依据。针对本文轻量化设计目标，提出了四类面向SLM工艺的零件轻量化设计方法，包括自由尺寸设计、拓扑优化设计、多孔结构设计、一体化设计，并针对每种设计方法详细分析了其设计思路及流程，为后续面向 SLM工艺的零件轻量化设计提供支撑。
　　②基于SLM工艺约束，以EOS M280设备为基础，提出了三种基于SLM工艺的基本自支撑结构，包括自支撑倾角、自支撑圆孔及自支撑水平悬臂距离。基于自支撑圆孔及自支撑倾角推导了椭圆孔与桃形孔实现自支撑的边界条件，在此基础上设计了自支撑椭圆孔及自支撑桃形孔两类新型自支撑结构，建立了相应的三维模型并通过SLM实验加工验证了设计的可行性，为后续面向SLM工艺的零件自支撑设计奠定基础。
　　③基于拓扑优化轻量化设计方法及自支撑结构，提出了一种面向 SLM工艺的零件轻量化无支撑优化设计方法（LSDM），详细阐述了LSDM方法的设计流程。以井字梁结构零件为例，采用 LSDM方法对其进行优化设计并通过 SLM技术加工，零件重量减少了31.4%，且加工过程不需要添加支撑结构，验证了 LSDM方法的可行性。
　　④提出了一种引入拔模约束的零件拓扑优化轻量化无支撑优化设计方法（TODDC），并详细阐述了其设计流程。以控制臂零件为例，采用TODDC方法对其进行优化设计并通过 SLM技术加工，加工过程不需要添加支撑结构，验证了TODDC方法的可行性。
　　⑤基于 SLM自由设计优点、自由设计方法、轻量化设计方法及自支撑结构元素，建立了SLM设计知识库，在此基础上提出了基于SLM知识库的零件轻量化少/无支撑设计方法。以航天支架结构零件为例，分别基于SLM工艺和传统工艺对其进行经验设计，并从时间、成本、轻量化程度、材料浪费率等方面对两种设计方案进行对比分析，结果表明：基于 SLM工艺设计的零件在时间、轻量化程度、材料浪费率等方面都明显优于基于传统工艺设计的零件，但在加工成本方面传统工艺具有明显优势。
　　⑥针对本论文提出的 LSDM、TODDC及基于知识库的零件设计三种设计方法，从设计周期及成本、零件轻量化程度、SLM加工周期及成本、对设计人员的要求、适用范围等方面对其进行了对比分析和评价。

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2面向SLM技术的结构设计研究现状

1.3论文概要

2 面向SLM工艺的零部件轻量化设计方法研究

2.1引言

2.2面向SLM工艺的结构自由设计方法

2.3面向SLM工艺的零件轻量化设计方法

2.4小结

3 基于SLM工艺约束的自支撑结构元素设计

3.1引言

3.2基于SLM技术的基本自支撑结构设计

3.3基于SLM工艺的新型自支撑结构设计

3.4小结

4 基于拓扑优化及自支撑结构元素的零件轻量化无支撑优化设计方法

4.1引言

4.2基于SIMP插值模型的拓扑优化

4.3 LSDM方法及设计流程

4.4井字梁案例分析

4.5小结

5 引入拔模约束的零件拓扑优化轻量化无支撑优化设计方法

5.1引言

5.2引入拔模约束的拓扑优化设计方法

5.3控制臂案例分析

5.4小结

6 基于SLM知识库的零件轻量化少/无支撑设计及不同设计方法评价

6.1引言

6.2基于SLM知识库的零件轻量化少/无支撑设计

6.3支架机构案例分析

6.4不同设计方法对比研究

6.5小结

7 结论与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间科研成果

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读学位期间获得的奖励