面向選擇性激光熔化工藝的零件輕量化少-無支撐優(yōu)化設計方法研究.pdf

1、在節(jié)能減排、綠色環(huán)保、降本增效等目標的驅動下，航空航天、汽車等領域對產品輕量化設計加工的需求日益迫切。實現產品輕量化的途徑主要包括新材料應用、新型結構設計及特種加工工藝的應用。選擇性激光熔化技術（Selective Laser Melting，SLM）是一種基于粉末床的金屬增材制造技術，具有復雜內部結構構造能力強、無需工裝/模具、快速適應產品設計變化、材料利用率高等優(yōu)點，近年來在航空航天、醫(yī)療等領域得到了廣泛深入的應用。在產品輕量化方面

2、，SLM技術在新材料、新型結構設計及成形工藝方面均可為產品輕量化提供新的空間，而在SLM加工工藝及材料確定的情況下，創(chuàng)新產品結構設計是實現輕量化的主要途徑。
　　采用SLM技術加工具有懸空面結構的零件時通常需要設計支撐結構，設計加工支撐結構的缺點如下：（1）支撐結構去除困難，特別是具有復雜內部曲面結構的零件，或鈦合金等難加工材料零件；（2）零件整體設計制造時間增加，包括支撐結構設計時間、SLM加工時間及后處理時間；（3）整體設計制

3、造成本增加，包括支撐結構設計費、支撐結構材料費、加工費及后處理費。
　　綜上所述，基于SLM技術在輕量化設計方面的優(yōu)勢，以及設計支撐結構導致的時間、成本增加問題，本論文開展面向SLM工藝的零件輕量化少/無支撐優(yōu)化設計方法研究。論文主要研究內容及結論如下：
　　①基于SLM工作原理分析了SLM自由設計優(yōu)點，闡述了SLM自由設計內涵。基于SLM自由設計優(yōu)點及工藝約束，提出了面向SLM工藝的結構自由設計方法，包括自由材料設計、自由

4、面設計、去標準化設計、自由內部結構設計、無刀具約束設計、無裝夾約束設計、無模具約束設計，為設計人員提供設計依據。針對本文輕量化設計目標，提出了四類面向SLM工藝的零件輕量化設計方法，包括自由尺寸設計、拓撲優(yōu)化設計、多孔結構設計、一體化設計，并針對每種設計方法詳細分析了其設計思路及流程，為后續(xù)面向 SLM工藝的零件輕量化設計提供支撐。
　　②基于SLM工藝約束，以EOS M280設備為基礎，提出了三種基于SLM工藝的基本自支撐結構，

5、包括自支撐傾角、自支撐圓孔及自支撐水平懸臂距離。基于自支撐圓孔及自支撐傾角推導了橢圓孔與桃形孔實現自支撐的邊界條件，在此基礎上設計了自支撐橢圓孔及自支撐桃形孔兩類新型自支撐結構，建立了相應的三維模型并通過SLM實驗加工驗證了設計的可行性，為后續(xù)面向SLM工藝的零件自支撐設計奠定基礎。
　?、刍谕負鋬?yōu)化輕量化設計方法及自支撐結構，提出了一種面向 SLM工藝的零件輕量化無支撐優(yōu)化設計方法（LSDM），詳細闡述了LSDM方法的設計流程

6、。以井字梁結構零件為例，采用 LSDM方法對其進行優(yōu)化設計并通過 SLM技術加工，零件重量減少了31.4%，且加工過程不需要添加支撐結構，驗證了 LSDM方法的可行性。
　?、芴岢隽艘环N引入拔模約束的零件拓撲優(yōu)化輕量化無支撐優(yōu)化設計方法（TODDC），并詳細闡述了其設計流程。以控制臂零件為例，采用TODDC方法對其進行優(yōu)化設計并通過 SLM技術加工，加工過程不需要添加支撐結構，驗證了TODDC方法的可行性。
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7、M自由設計優(yōu)點、自由設計方法、輕量化設計方法及自支撐結構元素，建立了SLM設計知識庫，在此基礎上提出了基于SLM知識庫的零件輕量化少/無支撐設計方法。以航天支架結構零件為例，分別基于SLM工藝和傳統工藝對其進行經驗設計，并從時間、成本、輕量化程度、材料浪費率等方面對兩種設計方案進行對比分析，結果表明：基于 SLM工藝設計的零件在時間、輕量化程度、材料浪費率等方面都明顯優(yōu)于基于傳統工藝設計的零件，但在加工成本方面?zhèn)鹘y工藝具有明顯優(yōu)勢。