增材制造&拓扑优化：提高航天零件性能

据南极熊获悉，印度国家理工学院机械工程系的研究者们将增材制造技术和拓扑优化相结合，对航天支架进行看重新设计，减轻了零件重量提高了安全系数，由此证明集成拓扑优化设计和增材制造可以成为设计制造轻量化零件的有效工具。

增材制造(AM)技术是一种先进的制造工艺，可用于制造生物医学、汽车和航空航天等领域的零部件。AM工艺的主要优点是可以自由设计任何复杂的结构，减少材料浪费，缩短生产时间，但金属AM工艺中的金属粉末成本较高。在拓扑优化的帮助下，可以通过减少材料使用量来最大限度地降低生产成本。拓扑优化是在给定的产品设计空间中估计最优材料分布的过程。

研究内容概述：

本研究中研究人员使用拓扑优化的方法对航天支架进行了重新设计。研究人员在设计过程中不仅考虑了材料使用量，而且考虑了最小残余应力（因为由于较高的温度梯度，在AM工艺中残余应力较大）。研究人员利用CAD对航天支架进行了重新设计，并通过数值模拟完成了拓扑优化。采用基于水平集的拓扑优化方法对零件布料进行了数值模拟重新设计和安全系数分析。通过拓扑优化，零件重量减轻了44.8%，安全系数达到2.3（采用AlSi12Mg合金材料数据进行数值分析）。研究人员对优化后的零件进行了打印过程进行仿真，使制造时间最短，残余应力最小。模拟的SLM工艺参数为80W激光功率，扫描速度为1000 mm/s，模拟结果为90 微米的打印间距产生的残余应力最小。研究人员利用已发表的不同类型零件的研究数据对所得结果进行了验证。

材料

本研究中所设计的航天支架在航空航天应用中处于静态载荷条件下。为保证零件的轻量化，本研究中选用了耐蚀性好、重量轻的AlSi12 Mg材料。铝合金常用于航空航天领域，其具有轻质特性和优异的耐腐蚀性。AlSi12Mg的物理力学性能如下表所示。

设计分析

使用SOLIDWORKS软件对零件进行重新设计和修改。该零件承受静态载荷条件，支架将用四个螺栓固定在固定底座上，并在轴承上施加三个载荷，如下图所示。用ANSYS 2020 R2软件进行分析，通过选择材料排除区域来优化零件，并通过改变体积减小百分比来执行多次迭代。对于每次迭代，将针对边界条件验证零件，并选择零件满足所需边界条件时体积的最大减少量。

仿真模拟

研究人员利用ANSYS Additive软件对优化后的零件进行仿真模拟，找出打印零件的最佳参数。研究人员改变主要的工艺参数，如激光功率、扫描速度和打印间距，以找到打印零件的最佳条件。选择扫描速度900 mm/s~1000 mm/s，间距70 mm~9 mm，间隔10 mm，激光功率80~100W，间隔10W的工艺参数范围，选择Taguchi’s L9正交试验表进行数值优化。使用Magics22.03软件对零件打印方向进行了优化。通过最小化支撑结构，可以减少打印时间和材料消耗，并对零件进行了不同方位的受力分析，找出了产生较小残余应力和较少支撑结构的最佳方位。

结果和讨论

1. 未优化零件（原始模型）的受力仿真分析

第一次应力加载图如下：

图中红色部分为受力最大的区域

三次应力加载和安全系数见下表：

2.优化零件的分析结果

优化后零件的受力仿真和安全系数仿真结果如下图：

受力仿真结果                         安全系数仿真结果

结果表明，优化后的安全系数由第一次加载时的1.54提高到2.23，第二次加载时的安全系数从1.61提高到2.25，重量减轻了44.8%。安全系数的提高是由于梁的整体厚度比原梁增加了厚度所致。利用ANSYS 2020 R2软件对托架进行了安全系数模拟，模拟结果表明，在第三次加载条件下，由于应力集中在颈部，托架具有较好的安全系数，说明该部位可以实现材料去除。对原支架模型和重新设计的支架模型的安全系数进行了比较。原始模型在所有加载情况下的最小安全系数为1.5，优化后的模型保持最小安全系数为2。拓扑优化技术的使用极大地改变了结构的力传递路径，在优化应力分布的同时减轻了结构的重量，从而提高了结构的力学特性。

3. 方向优化结果

利用ANSYS Additive 2020 R2软件对模型进行了五个不同方向的模拟，以估算不同方向的残余应力。通过观察残余应力的结果可以看出，90°方向的残余应力较小，支撑结构的体积也较小。

4.参数优化

不同工艺参数下的残余应力结果如下：

在1000 mm/s的扫描速度下，80W的激光功率和90 mm的打印间距产生29J/mm3的能量密度。在上述工艺参数打印下，零件中产生的残余应力与所有其他条件相比要小得多。这可能是因为熔池的大小以及熔池的强度对残余应力有很大的影响。

结论

1.在ANSYS2020 R2中，基于水平集的拓扑优化算法比基于密度的算法更适用于本次设计。

2.拓扑优化减少了航天支架所需材料重量的44%，在所有加载条件下安全系数高达为2-2.3。

3.通过选择具有正确打印方向的最佳工艺参数，可以最大限度地降低SLM中部件的残余应力。在取向角为90°时，残余应力最小，且在此条件下使用的支撑结构较少.

注：本文内容呈现略有调整，若需可以查看原文。

改编原文：Hanush S S, Manjaiah M. Topology optimization of aerospacepart to enhance the performance by additive manufacturing process[J]. MaterialsToday: Proceedings, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.02.074