一种增材制造中生产热支撑结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及增材制造优化设计技术领域，具体涉及一种增材制造中生产热支撑结构优化设计方法。

背景技术

激光金属增材制造是一种将构件离散分层后逐层叠加制造的先进制造技术，广泛应用于航空、航天等领域。在制造过程中，高能激光束将引起高温度梯度，使结构产生热变形。若在制造过程中结构热变形过大，已成形构件将与铺粉装置发生碰撞，导致制造失败甚至增材制造设备损坏，造成严重的经济损失。支撑结构与激光路径是影响增材制造构件热变形的两大因素。通过合理的支撑结构设计，可在一定程度上控制构件增材制造过程的热变形，使构件成功制造。在当前的工业界，支撑结构通常由工艺工程师根据经验手动添加，之后基于仿真或实验验证构件能否成功制造。如不能成功制造，则需反复试错迭代，多次修改支撑结构设计，直至最终工件能够制造为止。通过该方式设计支撑结构的设计周期长，而且费时费力。在学术界，国内外学者提出使用拓扑优化技术设计增材制造支撑结构，在满足悬挂角度约束的前提下最小化支撑结构材料用量，以便降低制造成本，，因此本发明提供一种增材制造中生产热支撑结构优化设计方法。针对现有技术存在以下问题：

1、现有的增材制造中生产热支撑结构优化设计方法,需多次调整支撑结构，并进行仿真或样件试制，试错周期长、成本高；

2、现有的增材制造中生产热支撑结构优化设计方法,需要设计人员基于制造技术和经验对优化结果进行二次设计以满足可制造性，失去了产品在轻量性和高性能上的优势。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种增材制造中生产热支撑结构优化设计方法，包括以下步骤，

S1、参数优化：将材料成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的材料成分含量，结合热力学计算和高通量计算，基于热裂敏感性指标，根据应变率热裂判据优化出合适的材料成分；

S2、建立模型：建立优化模型，几何模型确定载荷和边界条件，定义设计变量、目标函数，对单元密度、材料参数、结构体分比约束，优化算法参数进行设置；

S3、单元离散：将包围本体结构的区域用正方体单元离散，定义本体结构所在区域，激光路径优化的设计域，支撑结构优化的设计域；

S4、优化求解：通过SIMP公式，建立单元有无结构的物理变量与整体结构刚度的插值模型，通过固有应变法，对整体结构的增材制造逐层加工过程进行有限元仿真，获得整体结构逐层加工过程热变形。

本发明技术方案的进一步改进在于：S1按照优化后的材料成分制备增材制造用材料粉末，进行激光增材制造，对增材制造后的试样进行微观组织结构观察和性能测试，从中选择出符合实际材料性能的成分优化。

本发明技术方案的进一步改进在于：将材料成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的材料成分含量，根据国标中的材料成分含量数值的上下限来扩展，激光增材制造的工艺激光功率为250-350W，扫描速度为900-950mm/s，扫描间距为90-110μm，层厚为30μm，能量密度为80-100J/mm3。

本发明技术方案的进一步改进在于：S2通过SIMP方法框架建立优化模型，几何模型，对单元密度、材料属性参数、结构体分比约束、结构自支撑惩罚函数、优化算法参数进行设置。

本发明技术方案的进一步改进在于：以最小结构柔度作为优化目标，将离散化的单元相对密度作为设计变量，以结构体分比约束和结构自支撑约束惩罚函数值作为约束条件，建立优化模型。

本发明技术方案的进一步改进在于：在单元物理密度的基础上进行有限元分析和结构自支撑约束响应分析，得到结构柔度和结构自支撑约束惩罚函数值。

本发明技术方案的进一步改进在于：S4计算增材制造完成状态结构最大热应力，支撑结构体积分数和悬挂角度约束响应，计算各设计响应对设计变量的灵敏度，利用移动渐近线算法求解拓扑优化模型，得到更新的设计变量，对优化结果进行后处理建立优化结构。

由于采用了上述技术方案，本发明相对现有技术来说，取得的技术进步是：

1、本发明提供一种增材制造中生产热支撑结构优化设计方法，通过优化求解的作用下，通过SIMP公式建立单元有无结构的物理变量与整体结构刚度的插值模型，通过固有应变法，对整体结构的增材制造逐层加工过程进行有限元仿真，获得整体结构逐层加工过程热变形，可直接打印制造，同时使结构力学性能最优。避免了通过二次设计增加支撑结构与后期去除，有助于节省材料成本，缩短设计周期。与现有优化设计方法相比，本方法通过结构边界支撑结构渐进演化的方式实现结构自支撑，不考虑单元无支撑时的连锁影响，因此该方法计算代价更小灵活性高，可保证整体结构在增材制造逐层加工过程中的热变形可控，避免结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞，与仅优化支撑结构、不优化激光路径的方法相比，可进一步减少支撑结构用量，进而降低制造时间与成本。

2、本发明提供一种增材制造中生产热支撑结构优化设计方法，通过建立模型的作用下，建立优化模型，几何模型确定载荷和边界条件，定义设计变量、目标函数，对单元密度、材料参数、结构体分比约束，优化算法参数进行设置，可保证整体结构在增材制造逐层加工过程中的热变形可控，避免结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞，与仅优化支撑结构、不优化激光路径的方法相比，可进一步减少支撑结构用量，进而降低制造时间与成本，通过对支撑结构的迭代优化，在整体结构增材制造逐层加工过程热变形可控、满足悬挂角度约束的前提下，最小化支撑结构材料用量，解决了金属粉床增材制造逐层加工过程结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞的问题。本发明所提方法不依赖设计人员的经验，可快速获得能保证整体结构顺利制造的轻量化支撑结构设计，技术效果良好。

附图说明

图1为本发明的一种增材制造中生产热支撑结构优化设计方法的整体流程结构示意图；

图2为本发明的优化求解的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1

如图1-2所示，本发明提供了一种增材制造中生产热支撑结构优化设计方法,包括以下步骤，

S1、参数优化：将材料成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的材料成分含量，结合热力学计算和高通量计算，基于热裂敏感性指标，根据应变率热裂判据优化出合适的材料成分；

S2、建立模型：建立优化模型，几何模型确定载荷和边界条件，定义设计变量、目标函数，对单元密度、材料参数、结构体分比约束，优化算法参数进行设置；

S3、单元离散：将包围本体结构的区域用正方体单元离散，定义本体结构所在区域，激光路径优化的设计域，支撑结构优化的设计域；

S4、优化求解：通过SIMP公式，建立单元有无结构的物理变量与整体结构刚度的插值模型，通过固有应变法，对整体结构的增材制造逐层加工过程进行有限元仿真，获得整体结构逐层加工过程热变形。

在本实施案例中，避免了通过二次设计增加支撑结构与后期去除，有助于节省材料成本，缩短设计周期。与现有优化设计方法相比，本方法通过结构边界支撑结构渐进演化的方式实现结构自支撑，不考虑单元无支撑时的连锁影响，因此该方法计算代价更小灵活性高，可保证整体结构在增材制造逐层加工过程中的热变形可控，避免结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞，与仅优化支撑结构、不优化激光路径的方法相比，可进一步减少支撑结构用量，进而降低制造时间与成本。

实施例2

如图1-2所示，在实施例1的基础上，本发明提供一种技术方案：优选的，S1按照优化后的材料成分制备增材制造用材料粉末，进行激光增材制造，对增材制造后的试样进行微观组织结构观察和性能测试，从中选择出符合实际材料性能的成分优化，将材料成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的材料成分含量，根据国标中的材料成分含量数值的上下限来扩展，激光增材制造的工艺激光功率为250-350W，扫描速度为900-950mm/s，扫描间距为90-110μm，层厚为30μm，能量密度为80-100J/mm3，S2通过SIMP方法框架建立优化模型，几何模型，对单元密度、材料属性参数、结构体分比约束、结构自支撑惩罚函数、优化算法参数进行设置，以最小结构柔度作为优化目标，将离散化的单元相对密度作为设计变量，以结构体分比约束和结构自支撑约束惩罚函数值作为约束条件，建立优化模型，在单元物理密度的基础上进行有限元分析和结构自支撑约束响应分析，得到结构柔度和结构自支撑约束惩罚函数值，S4计算增材制造完成状态结构最大热应力，支撑结构体积分数和悬挂角度约束响应，计算各设计响应对设计变量的灵敏度，利用移动渐近线算法求解拓扑优化模型，得到更新的设计变量，对优化结果进行后处理建立优化结构。

在本实施例中，可保证整体结构在增材制造逐层加工过程中的热变形可控，避免结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞，与仅优化支撑结构、不优化激光路径的方法相比，可进一步减少支撑结构用量，进而降低制造时间与成本，通过对支撑结构的迭代优化，在整体结构增材制造逐层加工过程热变形可控、满足悬挂角度约束的前提下，最小化支撑结构材料用量，解决了金属粉床增材制造逐层加工过程结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞的问题。本发明所提方法不依赖设计人员的经验，可快速获得能保证整体结构顺利制造的轻量化支撑结构设计，技术效果良好。

下面具体说一下该一种增材制造中生产热支撑结构优化设计方法的工作原理。

如图1-2所示，将材料成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的材料成分含量，结合热力学计算和高通量计算，基于热裂敏感性指标，根据应变率热裂判据优化出合适的材料成分，按照优化后的材料成分制备增材制造用材料粉末，进行激光增材制造，对增材制造后的试样进行微观组织结构观察和性能测试，从中选择出符合实际材料性能的成分优化，将材料成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的材料成分含量，根据国标中的材料成分含量数值的上下限来扩展，激光增材制造的工艺激光功率为250-350W，扫描速度为900-950mm/s，扫描间距为90-110μm，层厚为30μm，能量密度为80-100J/mm3，建立优化模型，几何模型确定载荷和边界条件，定义设计变量、目标函数，对单元密度、材料参数、结构体分比约束，优化算法参数进行设置，通过SIMP方法框架建立优化模型，几何模型，对单元密度、材料属性参数、结构体分比约束、结构自支撑惩罚函数、优化算法参数进行设置，以最小结构柔度作为优化目标，将离散化的单元相对密度作为设计变量，以结构体分比约束和结构自支撑约束惩罚函数值作为约束条件，建立优化模型，在单元物理密度的基础上进行有限元分析和结构自支撑约束响应分析，得到结构柔度和结构自支撑约束惩罚函数值，可保证整体结构在增材制造逐层加工过程中的热变形可控，避免结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞，与仅优化支撑结构、不优化激光路径的方法相比，可进一步减少支撑结构用量，进而降低制造时间与成本，通过对支撑结构的迭代优化，在整体结构增材制造逐层加工过程热变形可控、满足悬挂角度约束的前提下，最小化支撑结构材料用量，解决了金属粉床增材制造逐层加工过程结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞的问题。本发明所提方法不依赖设计人员的经验，可快速获得能保证整体结构顺利制造的轻量化支撑结构设计，技术效果良好，将包围本体结构的区域用正方体单元离散，定义本体结构所在区域，激光路径优化的设计域，支撑结构优化的设计域，通过SIMP公式，建立单元有无结构的物理变量与整体结构刚度的插值模型，通过固有应变法，对整体结构的增材制造逐层加工过程进行有限元仿真，获得整体结构逐层加工过程热变形，计算增材制造完成状态结构最大热应力，支撑结构体积分数和悬挂角度约束响应，计算各设计响应对设计变量的灵敏度，利用移动渐近线算法求解拓扑优化模型，得到更新的设计变量，对优化结果进行后处理建立优化结构，通过固有应变法，对整体结构的增材制造逐层加工过程进行有限元仿真，获得整体结构逐层加工过程热变形，可直接打印制造，同时使结构力学性能最优。避免了通过二次设计增加支撑结构与后期去除，有助于节省材料成本，缩短设计周期。与现有优化设计方法相比，本方法通过结构边界支撑结构渐进演化的方式实现结构自支撑，不考虑单元无支撑时的连锁影响，因此该方法计算代价更小灵活性高，可保证整体结构在增材制造逐层加工过程中的热变形可控，避免结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞，与仅优化支撑结构、不优化激光路径的方法相比，可进一步减少支撑结构用量，进而降低制造时间与成本。

上文一般性的对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对于技术领域的一般技术人员是显而易见的。因此，在不脱离本发明思想精神的修改或改进，均在本发明的保护范围之内。