面向增材制造的机械结构轻量化设计方法研究

面向增材制造的机械结构轻量化设计方法研究

王全正  刘铭钰

山东省烟台市  烟台南山学院   265713

摘要：随着第三次科学革命的到来，新一代的增材制造技术已经深刻地影响到我们的日常生活。然而，由于传统的机器结构无法充分利用新型的增材制造的优势，许多开始探索更有效的结构设计，以满足新型的需求。当前，针对增材制造的设计已成为一个关键课题，它关系到产品的全寿命及成本效益。因此，我们建议采用一种针对增材制造的轻量化技术，利用实践案例进一步证明该技术的合理性。

关键词:增材制造；结构轻量化；设计

1、研究背景与意义

由于全球气候转变的加速，全球能源稀缺日趋严重，给我国的发展带来了巨大挑战。其中，交通运输、宇航等领域的发展更加凸显出来，如何有效地实施节约型技术，以及实施低碳排放，以及实施可持续发展，都需要采取有效的措施来改善。由于有限元技术、先进加工技术材料科学的不断改善，轻量化的发展取得了长足的进步。此外，3D打印也越来越受欢迎，它不仅可以大大减少成本，而且还可以将其运用于各种行业，如车辆、家用电器、建材包装、机械设备。由于当今增材制造技术的飞速进步，只依赖于一台简单的设备已经无法满足复杂的生产过程，因此，必须掌握多方位的技术，从原材料、构思、生产、调试、检测等，解决三大难点：第一，通过仿真模拟确保生产的准确性；第二，通过提高生产的稳定性；第三，确保一次性完成生产，解决一次性投入的难题。采用3D技术制造出的精密零部件，能够极大地减少原本耗费的资源，从而达到更高的效率和更高的质量。此外，这种技术还能够显著提升产品的稳定性和可用性。

2、典型结构设计加工实例分析

增材制造对于结构优化来说提出了新的机遇和挑战，机遇是增材制造其特点决定了其相比于传统的制造来说可以不需要考虑制造条件的约束，使得优化空间进一步的增大，为结构优化提供了更多的优化空间，可以使得轻量化后结构在满足强度的条件下做到质量更轻，如何能把握住机遇，利用增材制造所特有的优点将现有的结构二次优化设计，在保证结构强度的条件下以实现结构的进一步轻量化，减少能源的消耗。

3、优化3D 打印技术的油路块拓扑结构。

油路块是一种复杂的组件，它由多个小块组成，可以有效地控制液压油的流动，并且可以根据液压原理图进行单独设计，从而减少安装、检修、更换和后期维护的时间和费用。它们的存在使得液压系统的运行更加高效、稳定，并且可以提高系统的可靠性和可用性。尽管油路块的加工可以通过多次钻孔来实现，但由于其内部油路的复杂排布，定位要求较高，而且还需要多次进行定位，因此设计和加工的要求也更高，从而导致单件成本的增加[1]。正是考虑到液压油路块的难加工的特性，且其具有巨大的优化空间，因此本次设计以简单油路块为模型，结合增材制造的优点，将油路块抛弃传统加工条件的限制，利用增材制造的独特优势再次设计油路块，对其进行拓扑优化以实现该结构的轻量化。液压油从液压泵进入油路块，经过油路块分油后，经八个分油口流出，八个分出油口外接液压工作部件如驱动液压缸工作，流出的液压油还需经油路块汇总，此油路块也有八个分回油口和一个总回油口外接液压油箱。该液压块底部有螺纹孔使用螺栓将油路块固定在一定的位置防止油路块晃动拉扯液压油管，因此油路块底部设置底部固定孔，比如应用于工程机械时，速度也相对较高，还应考虑惯性的影响，同时为了模型应用于工程车时，必须考虑速度震动影响，仿真时应考虑加速度影响和震动分析，因此仿真模型应进行模态分析，以验证模型适合震动条件，可以避开机械工作时的震动频率，防止引起共振，提高设计模型的寿命。

3.1液压油路块流场分析

在油路块中，通常会有许多复杂的流道，它们中间有许多相互关联的管道。在这些管道中，流体通常是湍急流，它们在流动中呈现出各种各样的形式。它们在某些情况下会呈现出层叠、交错、紊乱等现象。 在某些情况下， 由于管壁结构紧密，流体会形成一个完整、均匀、平坦、连续、均匀、有序的管道。由于大量的微型漩涡的存在，使得原本的层状结构受到严重的损害，导致了滑动层的崩溃[2]。当流体速度不规则运动时，管轴垂直于流动方向，这种运动称为湍流，也称为湍流、湍流或湍流。正是因为其内部流场复杂多变，因此为了更加精确到得到油路块内部液压流场对于整体工况的影响，因此需要对油路块内部的流道单独提取出来进行流场分析再将分析结果引入到结构静力学分析中去，通过固流耦合准确的模拟出流道对液压油路块受力的影响。

3.2油路块结构拓扑优化

通过采取有效的策略和技能，结构优化设计旨在通过采取有效的措施，来节约成本，增加效率，并且实现节省资源、节约成本、提升使用寿命和改善功效的目的[3]。具体而言，通过采取拓扑优化技能，即可有效减少构件比重，提升结构，从而实现省钱生产成本、增加效率、减少维修花费等效果。通过采用拓扑优化科技，我们可以更好地解决在特定的环境中找到最佳材质配置的挑战。近年来，已经发展出了许多不同的连续体拓扑优化科技，如渐进式优化、均衡化和变换密度法.本次拓扑优化主要使用的就是变密度的方法其核心思想是假定宏观材料属性与材料密度之间的关系，优化时将材料密度作为设计变量，得到的最终优化结构是材料的最优拓扑分布模型[4]。在优化前应选定相应的设计空间，为了使优化后的结果满足安装条件和工作条件保证优化后的零部件能够正常工作不会发生无法配合或互相干涉的问题，在进行优化设计之前应先确定优化空间，在拓扑优化中用户提供的已存在的或者是根据经验设计出来的初始模型并不是所有位置都能进行材料的删减的。对于有固定约束的面或线、直接受力的点或面一般都不能进行材料删减处理[5]。

4、结论

在对于面向于增材制造的结构优化主要优化方法问题中，本文针对不同优化条件主要提出了两种: 拓扑优化和晶格结构填充。其中面向增材制造拓扑优化主要适用于应力较大且工况复杂的条件中，晶格结构主要应用于支撑结构或点阵夹层结构中其主要作用为吸收降低震动较小噪音以及机械结构散热保温等。拓扑优化为结构优化中一种较为先进的优化设计方法，结构拓扑优化是产品结构轻量化的最有效的方法之一，传统的制造方法的局限约束了设计的空间和结构，增材制造可以制造出很复杂的结构甚至可以不考虑加工制造条件，使得拓扑优化可以突破传统制造条件的限制做到结构的进一步优化。本文将拓扑优化的方法应用在增材制造产品零部件结构上，证明将拓扑优化与增材制造相结合能够发挥出各自优异的性能。

参考文献:

[1]王国峰.Workbench的基础应用: 流体仿真[M].北京: 国防工业出版社，2012.

[2]春平.基于结构拓扑优化的高速动力车转向架构架轻量化研究[M] 西安交通大学 2008.

[3] 蔡新，郭兴文，张旭明.工程结构优化设计[M].北京: 中国水利水电出版社.2003.

[4] 温世杰，龙凯.基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计. 计算机辅助工程 2008, 51-53

[5] 娄平，尚雯，张帆.面向 3D打印切片处理的模型快速载入方法研究.武汉理工大学学报 2016,38(6)， 97-101.