一种椭形薄壁舱段增材制造模型设计方法

技术领域

本发明涉及薄壁舱段增材制造技术领域，尤其涉及一种椭形薄壁舱段增材制造模型设计方法。

背景技术

随着高端制造业的发展，在航空航天、交通运输等领域，舱段零件的结构形式不断突破传统制造工艺的极限，持续向异形、薄壁方向发展。通常的舱段结构截面为圆形，整体三维结构呈现圆筒形，具有对称、均匀的特点，从而保证了较好的结构稳定性和易于实现的变形控制。然而，随着零件结构形式的演变，传统的圆形截面逐渐演变为非规则的非圆椭圆截面，同时伴随着壁厚的减薄、特征的增多以及更高的形面精度要求。与标准圆筒形舱段相比，这类异形椭圆截面舱段在增材制造过程中面临内部应力分布不均、较大的变形趋势以及高度复杂的控形难题。

为了解决薄壁零件增材制造中的支撑和稳定性问题，通常在3D模型设计阶段引入支撑结构，构建零件和支撑结构的整体模型，再进行整体增材制造。这种增材制造模型的设计旨在通过有效的支撑，防止薄壁结构在增材制造过程中产生变形、翘曲等问题，从而确保最终产品的形状精度和强度。支撑结构的设计通常考虑零件的几何特征、材料属性以及增材制造工艺的要求。对于椭形薄壁舱段，其内部应力分布不均、变形程度较大、结构稳定性较低。传统方法，如设计为肋板及点阵维形，虽然在增材制造舱段产品的变形控制方面有所应用，但对于椭形薄壁舱段而言，简单的肋板及点阵维形方法难以取得良好效果。

因此，针对椭形薄壁舱段，需要研发一种能有效控制变形、结构简单成本低的增材制造模型设计方法及增材制造模型。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种椭形薄壁舱段增材制造模型设计方法，用以解决现有椭形薄壁舱段增材制造中变形难以控制、形面精度差、整体加工效率低中至少一个问题。

一方面，本发明提供了一种椭形薄壁舱段增材制造模型设计方法，包括：

基于仿真分析软件构建椭形薄壁舱段模型；

在椭形薄壁舱段内形面短轴中心线两侧设置两个圆筒内撑维形结构，在两个圆筒内撑维形结构之间沿短轴方向设置肋板；

基于仿真分析软件对所述椭形薄壁舱段仿真模拟，获得模型形变结果；

经过变形处变形曲率圆的圆心，在所述椭形薄壁舱段的直线段内壁与所述圆筒内撑维形结构或肋板之间连接设有薄板支撑件。

进一步地，所述模型设计方法包括：

步骤1.构建椭形薄壁舱段模型；

步骤2.根据椭形薄壁舱段的长轴尺寸和最小加工间距确定圆筒内撑维形结构的圆心和外半径，在椭形薄壁舱段内形面短轴中心线两侧对称设置两个圆筒内撑维形结构；

步骤3.根据椭形薄壁舱段的长轴尺寸和圆筒内撑维形结构的外径尺寸确定肋板的设置位置，在两个圆筒内撑维形结构之间沿短轴方向设置肋板；

步骤4.根据圆筒内撑维形结构的圆心位置确定第一薄板支撑件的设置方向，第一薄板支撑件为一端与圆筒内撑维形结构外形面连接，另一端与最接近的肋板连接；

步骤5.根据椭形薄壁舱段圆弧段的圆心位置确定第二薄板支撑件的设置方向，第二薄板支撑件为一端与椭形薄壁舱段圆弧段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构外形面连接；

步骤6.对设置有肋板、圆筒内撑维形结构、第一薄板支撑件、第二薄板支撑件的椭形薄壁舱段模型进行增材制造仿真模拟，获得模型形变结果；

步骤7.根据形变结果判断是否需要增加薄板支撑件，若模型形变结果不符合设计文件中目标形变要求，则增加薄板支撑件；若模型形变结果符合设计文件中目标形变要求，则确定为椭形薄壁舱段增材制造模型；

步骤8.重复步骤6和7，直至仿真模拟的模型形变符合设计文件中目标形变要求。

进一步地，步骤2中，两个圆筒内撑维形结构的圆心分别设置在椭形薄壁舱段内形面长轴直径的两个偏四等分点上，圆筒内撑维形结构的外形面与椭形薄壁舱段内形面不直接接触。

进一步地，步骤2中，所述圆筒内撑维形结构的外半径设置为圆筒内撑维形结构的圆心与所述椭形薄壁舱段的内形面间的最短距离减去最小加工间距。

进一步地，步骤4中，所述第一薄板支撑件的设置方向指向圆筒内撑维形结构的圆心。

进一步地，步骤5中，所述第二薄板支撑件的设置方向指向椭形薄壁舱段圆弧段的圆心。

进一步地，步骤3中，所述肋板为一个或多个，所述肋板与所述圆筒内撑维形结构的最小距离设置为最小加工间距，和/或，多个所述肋板之间的间距为最小加工间距。

进一步地，步骤7中，根据所述椭形薄壁舱段的直线段无支撑时变形曲率，确定增加的薄板支撑件设置方向。

进一步地，所述增加的薄板支撑件为第三薄板支撑件，第三薄板支撑件的一端与所述椭形薄壁舱段直线段内壁连接，连接点为直线段无支撑时变形曲率最大处，所述第三薄板支撑件经过所述连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心，另一端与所述圆筒内撑维形结构、肋板或第一薄板支撑件连接。

另一方面，本发明提供了一种椭形薄壁舱段增材制造模型，采用上述一种椭形薄壁舱段增材制造模型设计方法得到，所述椭形薄壁舱段增材制造模型包括椭形薄壁舱段本体、支撑体和支撑件；

所述支撑体为位于椭形薄壁舱段内形面短轴中心线两侧对称设置的两个圆筒内撑维形结构；

所述支撑件包括位于两个圆筒内撑维形结构之间沿短轴方向设置的肋板，肋板平行于短轴方向贯通椭形薄壁舱段内部，其两端分别与椭形薄壁舱段短轴方向两侧的直线段侧壁内侧连接；

所述支撑件还包括薄板支撑件，薄板支撑件包括第一薄板支撑件、第一薄板支撑件和第三薄板支撑件，薄板支撑件设置在椭形薄壁舱段内形面、支撑体及肋板之间的区域，支撑体和支撑件将椭形截面分割为圆形、三角形和/或菱形截面。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明方法通过内撑维形结构的模型设计，采用圆筒内撑维形结构、肋板及薄板支撑件，分层次对椭形薄壁舱段进行内撑维形，将不稳定的椭形截面结构转化为稳定的近似圆形、三角形或四边形的截面结构，实现对椭形薄壁舱体结构增材制造形面精度的有效控制。

2、本发明通过增材制造前的仿真模拟，对椭形薄壁舱段及其内撑维形结构进行形变分析，进一步优化内撑维形结构以满足目标形变要求，最大程度地减少不必要的结构变形，确保最终产品的形面精度。在前几步骤模型设计基础上，只需简单优化支撑结构，节约模型设计时间，提高增材制造整体效率。

3、本发明采用圆筒内撑维形结构、肋板、薄板支撑件的组合，其利用简单的结构，在保证支撑强度的同时，最大限度地扩展内撑维形结构的内部空间，提高了整体增材制造加工流程效率。

4、本发明通过对内撑维形结构与椭形薄壁舱段内形面连接的部分进行厚度减薄处理，实现内撑维形结构在增材制造后的轻松去除；通过对内撑维形结构模型设定较低的增材制造体能量密度，实现模型整体打印时间的节约。

5、本发明利用支撑结构作为后处理过程中的工装配合结构，将增材制造过程中用于控制内撑维形结构延伸使用到后处理过程中，方便在后处理过程中装配并夹持椭形薄壁舱段本体及其内撑维形结构，实现从增材制造到后处理的全程形面控制，节约了产品整体的制造时间和成本。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1a为椭形薄壁舱段本体模型示意图；

图1b为椭形薄壁舱段本体模型A-A面剖视图；

图2为本发明增材制造支撑结构截面示意图；

图3为椭形薄壁舱段直线段变形示意图；

图4为实施例一的椭形薄壁舱段及其支撑结构截面示意图；

图5为实施例二的仿真模拟前的椭形薄壁舱段及其支撑结构截面示意图；

图6为实施例二的第一次增加薄板支撑件后的零件及其支撑结构截面示意图；

图7为实施例二的第二次增加薄板支撑件后的零件及其支撑结构截面示意图；

图8为实施例二的第三次增加薄板支撑件后的零件及其支撑结构截面示意图；

图9为实施例三的椭形薄壁舱段本体示意图；

图10为实施例三的椭形薄壁舱段及其支撑结构示意图；

图11为实施例三的薄板支撑件与零件之间减薄连接示意图；

图12为实施例三的直接增材制造的零件变形效果图；

图13为实施例三的按本发明支撑结构控形后零件变形效果图；

图14为实施例三的内撑维形结构与配合工装示意图。

附图标记：

1-椭形薄壁舱段；2-圆筒内撑维形结构；3-肋板；4-第一薄板支撑件；5-第二薄板支撑件；6-第三薄板支撑件；7-配合工装。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种椭形薄壁舱段增材制造模型设计方法，所设计的增材制造模型包括椭形薄壁舱段本体及其支撑结构。

如图1a-图1b所示，椭形薄壁舱段1的截面形状为扁椭圆形，具有长轴和短轴方向，相应具有长轴中心线和短轴中心线，中部为直线段，两侧为圆弧段。示例性地，长轴直径X与短轴直径Y之比大于1.2。

具体地，所述增材制造模型设计方法包括：

基于仿真分析软件构建椭形薄壁舱段1模型；

在椭形薄壁舱段1内形面短轴中心线两侧设置两个圆筒内撑维形结构2，在两个圆筒内撑维形结构2之间沿短轴方向设置肋板3；

基于仿真分析软件对所述椭形薄壁舱段1仿真模拟，获得模型形变结果；

经过变形处变形曲率圆的圆心，在所述椭形薄壁舱段1的直线段内壁与所述圆筒内撑维形结构2或肋板3之间连接设有薄板支撑件。

具体地，仿真分析软件可以是现有技术常用仿真分析软件，例如ANSYS公司的fluent，CFX ESI公司的Fastran等。

具体地，所述增材制造模型设计方法具体包括以下步骤：

步骤1.基于应力分析软件构建椭形薄壁舱段1模型；

步骤2.根据椭形薄壁舱段1的长轴尺寸和最小加工间距确定圆筒内撑维形结构2的圆心和外半径，在椭形薄壁舱段1内形面短轴中心线两侧对称设置两个圆筒内撑维形结构2；

步骤3.根据椭形薄壁舱段1的长轴尺寸和圆筒内撑维形结构的外径尺寸确定肋板3的设置位置，在两个圆筒内撑维形结构2之间沿短轴方向设置肋板3；

步骤4.根据圆筒内撑维形结构2的圆心位置确定第一薄板支撑件4的设置方向，第一薄板支撑件4为一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，另一端与最接近的肋板3连接；

步骤5.根据椭形薄壁舱段1圆弧段的圆心位置确定第二薄板支撑件5的设置方向，第二薄板支撑件5为一端与椭形薄壁舱段1圆弧段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接；

步骤6.对设置有肋板3、圆筒内撑维形结构2、第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5的椭形薄壁舱段1模型进行增材制造仿真模拟，获得模型形变结果；

步骤7.根据形变结果判断是否需要增加薄板支撑件，若模型形变结果不符合设计文件中目标形变要求，则增加薄板支撑件；若模型形变结果符合设计文件中目标形变要求，则确定为椭形薄壁舱段增材制造模型；

步骤8.重复步骤6和7，直至仿真模拟的模型形变符合设计文件中目标形变要求。

如图2截面图所示，支撑结构为椭形薄壁舱段1的内撑维形结构，包括圆筒内撑维形结构2、肋板3、第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5及第三薄板支撑件6。

本发明方法中，通过内撑维形结构的设计，分层次对椭形薄壁舱段进行内撑维形，将不稳定的椭形截面结构转化为稳定的如近似圆形、三角形、四边形的截面结构，实现对椭形薄壁舱体结构增材制造形面精度的有效控制。同时，本发明在构建基础支撑结构模型的基础上，进一步引入仿真模拟，根据仿真模拟结果调整薄板支撑件的数量和支撑角度，提高增材制造模型设计的效率。

示例性地，步骤2中，两个圆筒内撑维形结构2的圆心分别设置在椭形薄壁舱段内形面长轴直径的两个偏四等分点上，圆筒内撑维形结构2的外形面与椭形薄壁舱段内形面不直接接触。

示例性地，步骤2中，圆筒内撑维形结构2的外形面设置为尽量贴近椭形薄壁舱段1的内形面，圆筒内撑维形结构2的外半径设置为圆筒内撑维形结构2圆心与椭形薄壁舱段1内形面最短距离减去最小加工间距。最小加工间距是圆筒内撑维形结构2外形面与筒形舱段区域内形面最接近处的距离，根据增材制造后去除内撑维形结构加工需要设定，最小加工间距的数值为5～50mm。

具体的，当椭形薄壁舱段1内形面长轴直径的1/2大于短轴直径时，圆筒内撑维形结构2圆心与椭形薄壁舱段1内形面的最短距离在短轴方向，最近点在直线段壁面，圆筒内撑维形结构2的外半径设置为短轴直径的1/2减去最小加工间距；当椭形薄壁舱段1内形面长轴直径的1/2小于短轴直径时，圆筒内撑维形结构2圆心与椭形薄壁舱段1内形面的最短距离在长轴方向，最近点在圆弧段壁面，圆筒内撑维形结构2的外半径设置为长轴直径的1/4减去最小加工间距。

示例性地，步骤2中，圆筒内撑维形结构2设置为多层圆筒结构，多层圆筒之间可采用点阵、桁架、薄板等方式连接，多层圆筒之间形成三角形、四边形截面的支撑结构，圆筒内撑维形结构2的总厚度为椭形薄壁舱段1最小壁厚的1～3倍。

示例性地，步骤3中，肋板3设置为一个，沿短轴中心线设置，肋板3的厚度为椭形薄壁舱段1最小壁厚的1～3倍，与短轴中心线两侧的圆筒内撑维形结构2的最接近距离设置为最小加工间距。

示例性地，步骤3中，肋板3设置为多个，每个肋板3的厚度为椭形薄壁舱段1最小壁厚的1～3倍，与短轴中心线两侧的圆筒内撑维形结构2的最接近距离设置为最小加工间距，多个肋板3之间的间距为最小加工间距。

具体的，当椭形薄壁舱段1内形面长轴直径的1/2大于短轴直径时，两圆筒内撑维形结构2之间的距离较大，使用多块肋板3支撑，邻近圆筒内撑维形结构2设置的肋板3与圆筒内撑维形结构2的弧面顶点最接近，该距离设置为最小加工间距；当椭形薄壁舱段1内形面长轴直径的1/2小于短轴直径时，两圆筒内撑维形结构2之间的距离较小，使用一块肋板3支撑，此时肋板3与两侧圆筒内撑维形结构2的弧面顶点的距离设置最小加工间距。

示例性地，步骤3中，肋板3设置为多层板，多层板之间可采用点阵、桁架、薄板等方式连接，多层板之间形成三角形、四边形截面的支撑结构。

示例性地，步骤4中，第一薄板支撑件4的设置方向指向圆筒内撑维形结构的圆心；第一薄板支撑件4的厚度设置为椭形薄壁舱段1最小壁厚的1～3倍。

具体的，如图2所示，位于圆筒内撑维形结构2与肋板3之间的第一薄板支撑件4，关于短轴左右对称设置，各5个，共10个，其中位于短轴同一侧的5个第一薄板支撑件4关于长轴对称设置，具体均为一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，另一端与肋板3连接。

具体的，如图4所示，位于圆筒内撑维形结构2与肋板3之间的第一薄板支撑件4，关于短轴左右对称设置，各3个，共6个，其中位于短轴同一侧的3个第一薄板支撑件4关于长轴对称设置，具体均为一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，另一端与肋板3连接。

示例性地，步骤5中，第二薄板支撑件5的设置方向指向椭形薄壁舱段1圆弧段的圆心；第二薄板支撑件5的厚度设置为椭形薄壁舱段最小壁厚的1～3倍。

具体的，如图2所示，位于椭形薄壁舱段1圆弧段的第二薄板支撑件5，为关于短轴左右对称设置，各16个，其中左右各2个处于圆弧段与直线段交界处，全部设置为一端与椭形薄壁舱段1圆弧段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，方向指向椭形薄壁舱段1圆弧段的圆心。

具体的，如图4所示，位于椭形薄壁舱段1圆弧段的第二薄板支撑件5，关于短轴左右对称设置，各13个，其中左右各2个处于圆弧段与直线段交界处，全部设置为一端与椭形薄壁舱段1圆弧段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，方向指向椭形薄壁舱段1圆弧段的圆心。

示例性地，步骤7中，根据椭形薄壁舱段的直线段无支撑时变形曲率，确定增加的薄板支撑件设置方向；增加的薄板支撑件为第三薄板支撑件6，第三薄板支撑件6的一端与椭形薄壁舱段直线段内壁连接，连接点为直线段无支撑时变形曲率最大处，第三薄板支撑件6经过连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心，另一端与圆筒内撑维形结构、肋板或第一薄板支撑件4连接。

具体的，如图3所示，图中虚线部分为模拟后椭形薄壁舱段1直线段变形示意图，添加第三薄板支撑件6的位置为椭形薄壁舱段1直线段变形曲率最大处，添第三薄板支撑件6的方向为经过该处变形曲率圆的圆心。需要说明的是，椭形薄壁舱段1直线段变形方向不一定垂直于直线段。

具体的，如图2所示，位于椭形薄壁舱段1直线段的第三薄板支撑件6，关于短轴左右对称，各10个。其中左右各8个，设置为一端与椭形薄壁舱段1直线段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，方向经过与椭形薄壁舱段1连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心；其中左右各2个，设置为一端与椭形薄壁舱段1直线段内壁连接，另一端与肋板3连接，方向经过与椭形薄壁舱段1连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心。

具体的，如图8所示，位于椭形薄壁舱段1直线段的第三薄板支撑件6，关于短轴左右对称设置，各6个，设置为一端与椭形薄壁舱段1直线段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，方向经过与椭形薄壁舱段1连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心。

示例性地，将第二薄板支撑件5、第三薄板支撑件6在靠近与椭形薄壁舱段1内形面连接的部分做减薄处理，减薄厚度为舱段最小壁厚的0.5～1倍。

本发明的一个具体实施例，公开了一种椭形薄壁舱段增材制造模型，由本发明的增材制造模型设计方法得到，所述椭形薄壁舱段增材制造模型包括椭形薄壁舱段1本体及其支撑结构，支撑结构包括支撑体和支撑件；

支撑体为位于椭形薄壁舱段1内形面短轴中心线两侧对称设置的两个圆筒内撑维形结构2；

支撑件包括位于两个圆筒内撑维形结构2之间沿短轴方向设置的肋板3，肋板3平行于短轴方向贯通椭形薄壁舱段1内部，其两端分别与椭形薄壁舱段1短轴方向两侧的直线段侧壁内侧连接；

支撑件还包括薄板支撑件，薄板支撑件包括第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5和第三薄板支撑件6，第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5和第三薄板支撑件6设置在椭形薄壁舱段内形面、支撑体及肋板之间的区域，支撑体和支撑件将椭形截面分割为圆形、三角形和/或菱形截面。

示例性地，对椭形薄壁舱段1本体设定熔合强度较高的一般零件增材制造参数，例如激光功率为250～400W，扫描速度为950～1400mm/s，扫描边框；对内撑维形结构设定熔合强度较低的实体支撑参数，激光功率为250～320W，扫描速度为1100～1600mm/s，不扫描边框。具体的，椭形薄壁舱段1本体模型的增材制造体能量密度设定为内撑维形结构模型的1.5～2倍。

实施时，椭形薄壁舱段1本体模型与圆筒内撑维形结构2、肋板3、第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5及第三薄板支撑件6构成的内撑维形结构整体设计并整体增材制造，得到整体构件。对整体构件进行后处理，包括热处理和必要的外形面机加工。后处理完成后采用线切割、机加工、钳工等方式去除内撑维形结构。

示例性地，本发明中增材制造的材料为钛合金、铝合金或高温合金。

示例性地，本发明的支撑结构可作为工装配合结构应用到后处理过程中。后处理包括对椭形薄壁舱段1的热处理和对机加工。如图14所示，支撑结构与配合工装连接，方便在后处理过程中夹持整体构件。具体地，配合工装为具有两个圆柱形凸起的盖板，凸起的外径与圆筒内撑维形结构2的内径相同，凸起可与圆筒内撑维形结构2卡合连接。

实施例1

本实施例提供一种椭形薄壁舱段增材制造模型设计方法及增材制造模型，所设计的增材制造模型包括椭形薄壁舱段1零件本体和支撑结构。

增材制造的目标零件为椭形薄壁舱段1，其内形面长轴直径为240mm，短轴直径为200mm，最小壁厚为2.5mm，材料为铝合金，设计文件对增材制造的技术要求为形变小于±0.8mm。

所述增材制造模型设计方法具体包括以下步骤：

步骤1.构建椭形薄壁舱段1模型。

步骤2.根据椭形薄壁舱段1的长轴尺寸和最小加工间距确定圆筒内撑维形结构2的圆心和外半径，在椭形薄壁舱段1内形面短轴中心线两侧对称设置两个圆筒内撑维形结构2；

具体的，在椭形薄壁舱段1内形面短轴中心线两侧对称设置圆筒内撑维形结构2，两圆筒内撑维形结构2的圆心分别设置在椭形薄壁舱段1内形面长轴直径的偏四等分点上(图中十字形点)，圆筒内撑维形结构2的外半径设置为椭形薄壁舱段1长轴直径的1/4减最小加工间距15mm，等于45mm；圆筒内撑维形结构2为同心双层圆筒结构，每层圆筒的厚度为1.5mm，双层圆筒之间的距离为2mm，圆筒内撑维形结构2的总厚度为5mm，双层圆筒之间采用薄板连接。

步骤3.根据椭形薄壁舱段1的长轴尺寸和圆筒内撑维形结构的外径尺寸确定肋板3的设置位置，在两个圆筒内撑维形结构2之间沿短轴方向设置肋板3；

具体的，在两圆筒内撑维形结构2之间设置一个肋板3，肋板3垂直于截面沿短轴方向设置，肋板3贯通椭形薄壁舱段1内部，其两端分别与椭形薄壁舱段1短轴方向两侧的直线段侧壁内侧连接，肋板3由平行的双层板组成，每层板的厚度为1.5mm，双层板之间的距离为3mm，肋板3的总厚度为6mm，双层板之间采用点阵连接；肋板3距离两侧圆筒内撑维形结构2外形面的最短距离为12mm。

步骤4.根据圆筒内撑维形结构2的圆心位置确定第一薄板支撑件4的设置方向，第一薄板支撑件4为一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，另一端与最接近的肋板3连接；

具体的，第一薄板支撑件4的厚度为3mm，第一薄板支撑件4关于短轴左右对称设置，各3个，共6个，其中位于短轴同一侧的3个第一薄板支撑件4关于长轴对称设置，具体均为一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，另一端与肋板3连接，方向指向圆筒内撑维形结构2的圆心。

步骤5.根据椭形薄壁舱段1圆弧段的圆心位置确定第二薄板支撑件5的设置方向，第二薄板支撑件5为一端与椭形薄壁舱段1圆弧段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接；

具体的，第二薄板支撑件5的厚度为3mm，第二薄板支撑件5关于短轴左右对称设置，各13个，其中左右各2个处于圆弧段与直线段交界处，全部设置为一端与椭形薄壁舱段1圆弧段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，方向指向椭形薄壁舱段1圆弧段的圆心(图中X形点)；

如图4的零件本体及其支撑结构截面示意图所示，圆筒内撑维形结构2、肋板3、第一薄板支撑件4及第二薄板支撑件5构成椭形薄壁舱段1的内撑维形结构，将椭形截面结构分割为圆形、三角形或四边形截面结构。

步骤6.对设置有肋板3、圆筒内撑维形结构2、第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5的椭形薄壁舱段1模型进行增材制造仿真模拟，获得模型形变结果。

步骤7.根据形变结果判断是否需要增加薄板支撑件；仿真模拟形变结果显示，椭形薄壁舱段1模型最大形变为-0.7mm，符合±0.8mm技术要求，符合设计文件中目标形变要求，确定为椭形薄壁舱段增材制造模型。

实施例2

本实施例提供一种椭形薄壁舱段增材制造模型设计方法，所设计的增材制造模型包括椭形薄壁舱段1零件本体和支撑结构。

增材制造的目标零件为椭形薄壁舱段1，其内形面长轴直径为500mm，短轴直径为200mm，最小壁厚为3.5mm，材料为镍基高温合金，设计文件对增材制造的技术要求为形变小于±0.8mm。

所述增材制造模型设计方法具体包括以下步骤：

步骤1.构建椭形薄壁舱段1模型。

步骤2.根据椭形薄壁舱段1的长轴尺寸和最小加工间距确定圆筒内撑维形结构2的圆心和外半径，在椭形薄壁舱段1内形面短轴中心线两侧对称设置两个圆筒内撑维形结构2；

具体的，在椭形薄壁舱段1内形面短轴中心线两侧对称设置圆筒内撑维形结构2，两圆筒内撑维形结构2的圆心分别设置在椭形薄壁舱段1内形面长轴直径的偏四等分点上(图中十字形点)，圆筒内撑维形结构2的外半径设置为椭形薄壁舱段1短轴直径的1/2减最小加工间距45mm，等于55mm；圆筒内撑维形结构2为同心双层圆筒结构，每层圆筒的厚度为2mm，双层圆筒之间的距离为1mm，圆筒内撑维形结构2的总厚度为5mm，双层圆筒之间采用桁架连接。

步骤3.根据椭形薄壁舱段1的长轴尺寸和圆筒内撑维形结构的外径尺寸确定肋板3的设置位置，在两个圆筒内撑维形结构2之间沿短轴方向设置肋板3；

具体的，在两圆筒内撑维形结构2之间设置3个肋板3，肋板3垂直于截面沿短轴方向设置，肋板3贯通椭形薄壁舱段1内部，其两端分别与椭形薄壁舱段1短轴方向两侧的直线段侧壁内侧连接。每个肋板3由平行的双层板组成，每层板的厚度为2mm，双层板之间的距离为4mm，每个肋板3的总厚度为8mm，双层板之间采用桁架连接；各肋板3之间的间距为18mm；同侧的肋板3距离圆筒内撑维形结构2外形面的最短距离为35mm。

步骤4.根据圆筒内撑维形结构2的圆心位置确定第一薄板支撑件4的设置方向，第一薄板支撑件4为一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，另一端与最接近的肋板3连接；

具体的，第一薄板支撑件4的厚度为4mm，第一薄板支撑件4关于短轴左右对称设置，各5个，共10个，其中位于短轴同一侧的5个第一薄板支撑件4关于长轴对称设置，具体均为一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，另一端与肋板3连接，方向指向圆筒内撑维形结构2的圆心。

步骤5.根据椭形薄壁舱段1圆弧段的圆心位置确定第二薄板支撑件5的设置方向，第二薄板支撑件5为一端与椭形薄壁舱段1圆弧段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接；

具体的，第二薄板支撑件5的厚度为4mm，第二薄板支撑件5关于短轴左右对称设置，各11个，其中左右各2个处于圆弧段与直线段交界处，全部设置为一端与椭形薄壁舱段1圆弧段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，方向指向椭形薄壁舱段1圆弧段的圆心(图中X形点)；

如图5的零件本体及其支撑结构截面示意图所示，圆筒内撑维形结构2、肋板3、第一薄板支撑件4及第二薄板支撑件5构成椭形薄壁舱段1的内撑维形结构，将椭形截面结构分割为圆形、三角形或四边形截面结构。

步骤6.对设置有肋板3、圆筒内撑维形结构2、第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5的椭形薄壁舱段1模型进行增材制造仿真模拟，获得模型形变结果。

步骤7.根据形变结果判断是否需要增加薄板支撑件；仿真模拟形变结果显示，椭形薄壁舱段1模型最大形变为2.1mm，超出±0.8mm的技术要求，不符合设计文件中目标形变要求；

增加位于椭形薄壁舱段1直线段的第三薄板支撑件6，厚度为4mm，关于短轴左右对称设置，各2个，其中位于短轴同一侧的2个第三薄板支撑件6关于长轴对称设置，全部设置为一端与椭形薄壁舱段1直线段内壁连接，连接点为直线段无支撑时变形曲率最大处，该处位于直线段中间附近位置，方向为经过该连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心，另一端与圆筒内撑维形结构2连接；

如图6所示为第一次增加第三薄板支撑件6后的零件及其支撑结构截面示意图。

步骤8.对设置有肋板3、圆筒内撑维形结构2、第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5、第三薄板支撑件6的椭形薄壁舱段1模型进行增材制造仿真模拟，获得模型形变结果。

步骤9.根据形变结果判断是否需要增加薄板支撑件；仿真模拟形变结果显示，椭形薄壁舱段1模型最大形变为1.5mm，超出±0.8mm的技术要求，不符合设计文件中目标形变要求；

增加位于椭形薄壁舱段1直线段的第三薄板支撑件6，关于短轴左右对称设置，各2个，其中位于短轴同一侧的2个第三薄板支撑件6关于长轴对称设置，全部设置为一端与椭形薄壁舱段1直线段内壁连接，连接点为直线段无支撑时变形曲率最大处，该处位于直线段中间偏向肋板3之间位置，方向为经过该连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心，另一端与圆筒内撑维形结构2连接；

如图7所示为第二次增加第三薄板支撑件6后的零件及其支撑结构截面示意图。

步骤10.对设置有肋板3、圆筒内撑维形结构2、第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5、第三薄板支撑件6的椭形薄壁舱段1模型进行增材制造仿真模拟，获得模型形变结果。

步骤11.根据形变结果判断是否需要增加薄板支撑件；仿真模拟形变结果显示，椭形薄壁舱段1模型最大形变为1.0mm，超出±0.8mm的技术要求，不符合设计文件中目标形变要求；

增加位于椭形薄壁舱段1直线段的第三薄板支撑件6，关于短轴左右对称设置，各2个，其中位于短轴同一侧的2个第三薄板支撑件6关于长轴对称设置，全部设置为一端与椭形薄壁舱段1直线段内壁连接，连接点为直线段无支撑时变形曲率最大处，该处位于直线段中间偏向第二薄板支撑件4之间位置，方向为经过该连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心，另一端与圆筒内撑维形结构2连接；

如图8所示为第三次增加第三薄板支撑件6后的零件及其支撑结构截面示意图。

步骤12.对设置有肋板3、圆筒内撑维形结构2、第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5、第三薄板支撑件6的椭形薄壁舱段1模型进行增材制造仿真模拟，获得模型形变结果。

步骤13.根据形变结果判断是否需要增加薄板支撑件；仿真模拟形变结果显示，椭形薄壁舱段1模型最大形变为0.67mm，符合±0.8mm技术要求，符合设计文件中目标形变要求，确定为椭形薄壁舱段增材制造模型。

实施例3

本实施例提供一种椭形薄壁舱段增材制造模型设计方法，所设计的增材制造模型包括椭形薄壁舱段1零件本体和支撑结构。

如图9所示，增材制造的目标零件为椭形薄壁舱段1，其内形面长轴直径为400mm，短轴直径为200mm，高度为200mm，最小壁厚为3mm其长轴方向为尺寸为400mm，材料为钛合金，设计文件对增材制造的技术要求为形变小于±0.8mm。

所述增材制造模型设计方法具体包括以下步骤：

步骤1.构建椭形薄壁舱段1模型。

步骤2.根据椭形薄壁舱段1的长轴尺寸和最小加工间距确定圆筒内撑维形结构2的圆心和外半径，在椭形薄壁舱段1内形面短轴中心线两侧对称设置两个圆筒内撑维形结构2；

具体的，在椭形薄壁舱段1内形面短轴中心线两侧对称设置圆筒内撑维形结构2，两圆筒内撑维形结构2的圆心分别设置在椭形薄壁舱段1内形面长轴直径的偏四等分点上，圆筒内撑维形结构2的外半径设置为椭形薄壁舱段1长轴直径的1/4减最小加工间距10mm，等于90mm；圆筒内撑维形结构2为同心双层圆筒结构，每层圆筒的厚度为2mm，双层圆筒之间的距离为1mm，圆筒内撑维形结构2的总厚度为5mm，双层圆筒之间采用点阵连接。

步骤3.根据椭形薄壁舱段1的长轴尺寸和圆筒内撑维形结构的外径尺寸确定肋板3的设置位置，在两个圆筒内撑维形结构2之间沿短轴方向设置肋板3；

具体的，在两圆筒内撑维形结构2之间设置一个肋板3，肋板3垂直于截面沿短轴方向设置，肋板3贯通椭形薄壁舱段1内部，其两端分别与椭形薄壁舱段1短轴方向两侧的直线段侧壁内侧连接；肋板3由平行的双层板组成，每层板的厚度为2.5mm，双层板之间的距离为1mm，肋板3的总厚度为6mm；双层板之间采用多个薄板连接，薄板两端分别与双层板的侧面呈角度连接，薄板成对地交错成X形，若干成对儿的薄板分布在双层板之间，使双层板间的空间形成三角形及四边形截面的支撑结构；肋板3距离两侧圆筒内撑维形结构2外形面的最短距离为7mm。

步骤4.根据圆筒内撑维形结构2的圆心位置确定第一薄板支撑件4的设置方向，第一薄板支撑件4为一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，另一端与最接近的肋板3连接；

具体的，第一薄板支撑件4的厚度为3mm，第一薄板支撑件4关于短轴左右对称设置，各3个，共6个，其中位于短轴同一侧的3个第一薄板支撑件4关于长轴对称设置，具体均为一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，另一端与肋板3连接，方向指向圆筒内撑维形结构2的圆心。

步骤5.根据椭形薄壁舱段1圆弧段的圆心位置确定第二薄板支撑件5的设置方向，第二薄板支撑件5为一端与椭形薄壁舱段1圆弧段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接；

具体的，第二薄板支撑件5的厚度为3mm，第二薄板支撑件5关于短轴左右对称设置，各10个，其中左右各2个处于圆弧段与直线段交界处，全部设置为一端与椭形薄壁舱段1圆弧段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，方向指向椭形薄壁舱段1圆弧段的圆心；

步骤6.对设置有肋板3、圆筒内撑维形结构2、第一薄板支撑件4、第二薄板支撑件5的椭形薄壁舱段1模型进行增材制造仿真模拟，获得模型形变结果。

步骤7.根据形变结果判断是否需要增加薄板支撑件；若模型形变结果不符合设计文件中目标形变要求，则增加第三薄板支撑件6；第三薄板支撑件6的一端与椭形薄壁舱段直线段内壁连接，连接点为直线段无支撑时变形曲率最大处，第三薄板支撑件6经过连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心，另一端与圆筒内撑维形结构、肋板或第一薄板支撑件4连接。

步骤8.重复步骤6和7，直至仿真模拟的椭形薄壁舱段1模型最大形变小于±0.8mm，符合设计文件中目标形变要求。本实施例中，重复步骤6和7四次，得到如图10所示的零件本体及其支撑结构。增加的第三薄板支撑件，关于短轴左右对称，各6个；其中左右各4个，设置为一端与椭形薄壁舱段1直线段内壁连接，另一端与圆筒内撑维形结构2外形面连接，方向经过与椭形薄壁舱段1连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心；其中左右各2个，设置为一端与椭形薄壁舱段1直线段内壁连接，另一端与肋板3连接，方向经过与椭形薄壁舱段1连接点处无支撑时变形曲率圆的圆心。

经过对椭形薄壁舱段1进行直接增材制造以及采用本发明支撑结构进行增材制造的变形结果进行模拟仿真后，得到的结果分别显示在图12和图13中。从图中可见，在采用本发明的支撑结构后，原本舱段的大幅变形被彻底消除，而局部最大变形也从2.56mm减小到了为0.67mm。这一结果表明，本发明的支撑结构提升了椭形薄壁舱段1增材制造的稳定性和形面精度，有效控制了变形问题。

特别地，在模型设计阶段，将第二薄板支撑件5、第三薄板支撑件6与椭形薄壁舱段1内形面连接的部分做减薄处理，如图11所示，减薄厚度为2mm。

对椭形薄壁舱段1及其支撑结构进行一体化增材制造，将椭形薄壁舱段1本体增材制造的体能量密度设定为内撑维形结构的2倍，得到整体构件。

增材制造完成后，使用如图14所示的可与内撑维形结构连接的配合工装7对整体构件进行夹持，然后对椭形薄壁舱段1进行外形面机加工。配合工装7为具有两个圆柱形凸起的盖板，凸起的外径与圆筒内撑维形结构2的内径相同，凸起可与圆筒内撑维形结构2卡合连接。外形面机加工完成后，采用线切割配合钳工的方式将内撑维形结构去除。后续无需引入校形等工序，即能直接达到较好的形面精度控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。