增材制造結(jié)構(gòu)熱變形緩和優(yōu)化與考慮尺寸約束的構(gòu)型設(shè)計(jì).pdf

1、增材制造技術(shù)是一種革命性的制造手段，在近十幾年間發(fā)展迅速，其發(fā)展和應(yīng)用受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注和高度重視。增材制造技術(shù)采用材料逐漸累加的方式制造結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的制造手段，能夠?qū)崿F(xiàn)高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自由“生長(zhǎng)”成形。這拓寬了結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)“空間”，使面向性能而非可制造性的設(shè)計(jì)成為可能。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化能夠根據(jù)性能要求在設(shè)計(jì)域內(nèi)合理布置材料自動(dòng)獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，是先進(jìn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的有效工具。將增材制造（先進(jìn)制造技術(shù)）與拓?fù)鋬?yōu)化（先進(jìn)設(shè)計(jì)方法）結(jié)合對(duì)先進(jìn)

2、材料與結(jié)構(gòu)的研發(fā)具有重要意義，需要研究實(shí)現(xiàn)兩者結(jié)合中遇到的問(wèn)題，例如，結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)中需要考慮制造工藝對(duì)結(jié)構(gòu)特征尺寸的限制以及制造進(jìn)程設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)殘余變形的影響等。本文分析掃描軌跡對(duì)增材制造結(jié)構(gòu)熱變形的影響，研究建立實(shí)現(xiàn)熱變形緩和的掃描路徑設(shè)計(jì)方法以及支撐結(jié)構(gòu)的支撐點(diǎn)位置設(shè)計(jì)方法;考慮制造工藝對(duì)最優(yōu)構(gòu)型的影響，研究建立考慮最大和最小特征尺寸約束的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型和求解方法。為增材制造與拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)合提供了一定的基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下。

3、
　　(1)面向結(jié)構(gòu)熱變形緩和的掃描軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)。增材制造過(guò)程中局部熱源移動(dòng)引起溫度分布不均勻，極易引起大的溫度梯度造成熱殘余變形。針對(duì)熱殘余變形緩和的需求，建立了利用激光在一塊金屬板的上方中心區(qū)域進(jìn)行掃描的數(shù)值仿真模型，分析了掃描軌跡對(duì)熱殘余變形的影響機(jī)理，研究建立了基于分區(qū)掃描的掃描軌跡兩步設(shè)計(jì)方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)設(shè)計(jì)（分區(qū)幾何以及分區(qū)掃描次序）和分區(qū)內(nèi)部的掃描軌跡設(shè)計(jì)。針對(duì)具體設(shè)計(jì)實(shí)例，給出了優(yōu)化的分區(qū)掃描路徑設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)

4、結(jié)果表明，掃描軌跡設(shè)計(jì)能夠大幅緩和熱殘余變形。
　　(2)面向結(jié)構(gòu)熱變形緩和的支撐點(diǎn)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)。增材制造過(guò)程中往往需要使用支撐結(jié)構(gòu)，一個(gè)重要的原因在于支撐結(jié)構(gòu)能夠限制上方結(jié)構(gòu)發(fā)生的熱變形。為了去除的方便，支撐結(jié)構(gòu)同上方結(jié)構(gòu)之間往往采用點(diǎn)的形式連接。針對(duì)增材制造結(jié)構(gòu)熱殘余變形緩和的需求，提出了支撐結(jié)構(gòu)與上方結(jié)構(gòu)間連接點(diǎn)位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行大量非線(xiàn)性熱力耦合仿真模型求解的問(wèn)題，提出了一種建立真實(shí)仿真模型的等效簡(jiǎn)

5、化模型的方法，利用等效模型進(jìn)行優(yōu)化可以大幅減小優(yōu)化的計(jì)算量。針對(duì)等效模型同真實(shí)模型有一定偏差的問(wèn)題，提出了一種逐步修正等效模型的迭代的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了方法的有效性。
　　(3)基于映射的拓?fù)鋬?yōu)化最大最小尺寸控制方法。拓?fù)鋬?yōu)化方法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已成功應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)。然而，由于制造工藝的限制，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果通常無(wú)法直接應(yīng)用，需根據(jù)工藝要求進(jìn)行修改，因此在拓?fù)鋬?yōu)化模型中考慮制造約束成為重要的研究方向。其

6、中，尺寸控制廣泛存在于大部分制造工藝中，主要包括最小尺寸控制與最大尺寸控制。面向上述需求，提出了一種基于映射的拓?fù)鋬?yōu)化最大尺寸控制方法，構(gòu)造了一種新的映射模型對(duì)結(jié)構(gòu)中不滿(mǎn)足最大尺寸約束的中心單元密度進(jìn)行懲罰，在不引入任何約束條件的情況下實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)最大尺寸的控制。在此基礎(chǔ)上，將該方法中的懲罰轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)全局約束條件后與具有最小尺寸控制功能的拓?fù)鋬?yōu)化魯棒列式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)的最大最小尺寸協(xié)同控制。此外，簡(jiǎn)要研究了基于映射的對(duì)稱(chēng)與模式重復(fù)

7、約束以及懸挑結(jié)構(gòu)最大角度約束實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了所提出的方法的有效性。
　　(4)面向改善尋優(yōu)結(jié)果的拓?fù)鋬?yōu)化尋優(yōu)進(jìn)程研究。目前，拓?fù)鋬?yōu)化方法并不能保證得到全局最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，在一些問(wèn)題中可能會(huì)得到不夠理想的尋優(yōu)結(jié)果。針對(duì)這樣的問(wèn)題，通過(guò)一個(gè)使用多種初始解的算例從直觀角度對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化的尋優(yōu)進(jìn)程進(jìn)行了分析，指出拓?fù)鋬?yōu)化的尋優(yōu)進(jìn)程分三種方式。其中中間密度值的基結(jié)構(gòu)演化這一方式會(huì)在構(gòu)型接近于0-1分明時(shí)消失。針對(duì)基結(jié)構(gòu)消失后