优化后的电弧增材制造钢桁架的试验与分析

来源：增材制造金属结构

本文介绍了一种金属增材制造（AM）方法——电弧增材制造（WAAM），它可以以经济有效的方式制造复杂形状的大型结构单元，为释放结构优化的真正潜力提供了机会。为了展示这种潜力，研究人员通过WAAM制造了两个优化的钢悬臂桁架，并对其结构性能进行了测试。测试样品由不同直径和厚度的管状截面构成，利用三维激光扫描确定测试样品的几何特征，并采用数字图像相关方法（DIC）监测测试过程中的位移场和应变场。文章提供了实验方案的详细信息，对所获得的结果进行了分析，并与等效的传统参考设计进行了比较。此外，还介绍了补充数值模拟（FE software ABAQUS）的结果，以进一步了解所研究试样的结构响应的特定特征。研究发现，所有优化的桁架的结构效率（以体积与质量比为度量）至少比相应参考设计高出80%，突显了WAAM与先进优化方法相结合所能实现的结构效率方面的优势。

研究背景
电弧增材制造（WAAM）是一种定向能量沉积（DED）AM方法，近年来在航空、汽车、生物工程和海洋等多个行业和领域得到了广泛应用。WAAM具有几乎没有几何限制的特点，可以制造复杂几何形状的材料高效结构。本研究旨在通过优化设计和WAAM制造方法，展示WAAM与先进优化方法相结合在结构效率和自动化方面的优势。研究通过制造优化的WAAM悬臂桁架，并进行实验测试和数值模拟分析，评估其结构性能和效率。

实验方案
这项研究的主要目标是测试和分析优化的电弧增材制造钢桁架的性能。研究如何通过优化几何形状和材料使用来提高钢桁架的性能。为了解决这个问题，研究采用了以下方法：

几何优化：通过使用有限元建模和优化算法，对钢桁架的几何形状进行优化，以提高其性能和负荷承载能力。

图1 确定桁架几何形状所采用的优化过程

材料使用优化：通过分析钢桁架的应力分布和应变情况，确定每个部件的最佳厚度，以最大程度地利用材料的强度。优化后的桁架具有两种不同的标称厚度(即tnom = 3.5 mm和tnom = 4.5 mm)

图2 优化后的悬臂桁架

实验测试：制造优化的钢桁架，并进行全面的实验测试，包括加载测试和位移测量。通过测试，评估钢桁架的性能和负荷承载能力。

图3 悬臂桁架的加载测试准备

图4 悬臂桁架光学测量前表面预处理

图5 悬臂桁架的位移测量准备

数值模拟：使用有限元分析软件（FE software ABAQUS）对优化的钢桁架进行数值模拟，以进一步了解其结构响应和负荷承载能力。

图6 悬臂桁架的有限元模型

试验结果

（1）破坏形态
两个试件在图7(c)所示(白色虚线圈住)的接缝处，均发生了3.5 mm厚管状构件的拉伸断裂，如图7(a)所示。在峰值荷载下，典型的DIC应变场如图7(c)所示，其中所有桁架构件都受到了严重的应力，表明由于优化了桁架结构的几何特征，材料得到了的充分利用。图7(b)为断裂部位应变场的近景图，应变水平接近材料的极限拉伸应变(εu = 0.13)。

图7 (a)拉伸断裂破坏  (b)断裂部位应变场特写  (c)极限荷载时桁架结构整体DIC应变场

（2）主要结论

本文的研究旨在测试和分析优化的电弧增材制造钢桁架的性能。研究结果表明，通过电弧增材制造（WAAM）技术和优化方法相结合，可以实现材料的减少和结构效率的提高。具体结论如下：

（1）通过优化设计和WAAM制造技术，可以实现钢桁架的轻量化和材料的节约。优化的钢桁架的质量（和典型横截面积）比参考设计低18%，但其体积质量比至少比参考设计高80%。

表1  WAAM悬臂梁的几何性质

图8 WAAM桁架试验荷载-挠度曲线

（2）通过实验测试和有限元模拟，验证了优化的钢桁架的承载能力和结构响应。实验结果显示，优化后的钢桁架在受载过程中表现出良好的性能，达到了设计要求。

表2  WAAM桁架性能评估

图9 试验桁架与有限元桁架荷载-变形曲线对比

（3）通过数字图像相关（DIC）技术，可以对钢桁架的位移和应变进行全场测量。DIC结果显示，在峰值载荷下，所有桁架构件都受到了较大的应力，反映了优化几何形状实现的材料的充分利用。

图10 极限荷载时桁架结构整体DIC应变场

综上所述，本研究表明，通过优化设计和电弧增材制造技术，可以实现钢桁架的轻量化和结构效率的提高，为金属结构工程领域提供了新的制造方法和设计思路。