基于增材制造的三周期极小曲面结构关键力学性能研究进展

三周期极小曲面结构是一类具有光滑连续曲面和高比表面积的特殊多孔结构, 具有承载能力强、能量吸收率高、疲劳性能好等优异性质, 在航空航天、生物医学和隔声吸声等诸多领域有着广泛的应用. 增材制造技术在制造复杂拓扑结构方面具有独特优势, 为三周期极小曲面结构的制造提供了有力工具. 然而增材制造过程中也引入诸多缺陷, 对结构的力学性能产生重要影响. 全面深入地研究增材制造三周期极小曲面结构的力学性能, 对评价和预测结构性能、扩宽其在工程中的应用具有重要意义. 首先从结构形式、特点及应用领域等方面对三周期极小曲面结构进行了介绍, 重点针对静态压缩吸能、动态抗冲击和疲劳断裂等关键力学性能, 综述了近期的重要进展. 围绕三周期极小曲面结构的隔声吸声性质和热交换性能, 亦进行了讨论. 其次, 以选区激光熔化与选区激光烧结为例, 介绍了增材制造制备三周期极小曲面结构的主要方法. 再次, 结合增材制造技术, 讨论制造过程中引入的缺陷对三周期极小曲面结构力学性能的影响, 包括残余应力、表面粗糙度和内部微孔洞等. 最后, 结合实际应用对该领域面临的主要困难和挑战进行总结, 同时展望了未来的研究方向.     

金属增材制造中的缺陷、组织形貌和成形材料力学性能

金属增材制造是近30年发展起来的一种新型制造技术, 不同于传统的减材制造过程, 它是基于离散-堆积原理, 根据设计的三维数据模型, 逐层加工获得立体实物的制造技术, 具有近净成形、快速制造、设计自由度高等优点, 特别适用于具有复杂几何结构的高熔点金属构件的直接成形, 在航天航空、核能工业、交通运输、生物医疗等领域具有巨大的技术优势和广阔的应用前景. 本文首先介绍了3种典型的金属增材制造技术原理, 包括选区激光熔化技术、激光金属沉积技术和选区电子束熔化技术. 随后对金属增材制造中的熔合不良、气孔、裂纹等缺陷的形成机理及其控制方法进行了综述, 以激光功率、扫描速度和扫描策略等工艺参数为例阐述了工艺参数对成形构件组织形貌的影响, 同时介绍了金属增材制造技术在传统合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的应用及其力学性能. 最后对金属增材制造在扩充可打印的合金体系、量化缺陷与残余应力对材料性能的影响、发展可预测组织形貌的模拟方法、建立金属增材制造数据库和相关标准等方向进行了展望.      

面向增材制造的应力最小化连通性拓扑优化

增材制造与拓扑优化的有机结合将极大促进高性能产品的研发, 但现有基于拓扑优化的设计性能和可制造性研究多是独立开展, 或常局限于传统的刚度问题, 缺乏对工程中至关重要的强度问题的考虑. 面向增材制造, 针对协同考虑强度和可制造连通性的结构优化问题, 建立了材料体积和连通性标量场约束下的结构应力最小化拓扑优化模型. 针对求解过程中的不同数值困难问题, 提出了有效的优化求解策略. 引入基于P范数的全局标量场约束度量, 并结合稳定转换误差修正技术来实现对局部标量场的有效控制. 详细推导了相关灵敏度, 然后通过典型数值算例论证了文中模型及方法的合理有效性. 结果表明, 仅考虑连通性约束的刚度最大化设计不一定能避免局部高应力集中, 而该设计也不一定等同于应力最小化连通性设计; 充足的材料许用量和恰当的连通性约束边界条件对提高所研究设计的性能至关重要, 而应力凝聚参数取值并非越大越好, 合理取值才能有助于获取高性能设计. 此外, 优化结果也在一定程度上论证了可制造性拓扑优化中考虑强度问题的必要性和可行性.     

增材制造技术发展对飞机结构设计教学的影响

增材制造技术突破传统制造约束,带来飞机结构设计理念和方法的转变,成为提升飞机结构性能、降低成本的重要支撑.飞机结构设计是飞行器设计专业本科核心专业课程,培养面向增材制造的飞机结构设计人才是提高航空装备设计水平的必要内容.创新结构设计理念和多学科协同设计方法是面向增材制造结构设计人员的必备素质.北京航空航天大学飞机结构设...     

金属增材制造的多物理场物质点有限元法

金属增材制造过程涉及复杂的热-流-固强耦合问题,对数值模拟算法的精度和效率提出了巨大的挑战。针对该问题,本文提出了多物理场物质点有限元法。该方法采用结构化背景网格、有限单元和物质点离散求解各物理场,通过分区求解和界面耦合的方式实现热-流-固耦合求解。对于潜在熔化区域和未发生熔化的区域,分别采用物质点和有限元离散,结合了两者在求解材料特大变形和小变形问题上的各自优势,能够在保证计算精度的前提下有效提升计算效率。数值算例表明了本文算法的热-流-固多场耦合计算精度、相比于已有算法的高效性以及物质点和有限元离散区域界面处温度和应力的连续性。本文工作为金属增材制造过程多物理场耦合问题提供了一种高效的数值模拟方法。     

基于晶粒形貌的增材制造力学行为数值模拟

为了研究电弧增材制造中材料的各向异性力学行为,本文建立了双椭球热源模拟电弧增材制造过程中的温度场,建立Monte Carlo模型模拟增材层截面微观组织的变化,建立晶体塑性模型表征晶粒形貌对材料力学行为的影响规律,从而修正位错动力学模型,得到基于晶粒形貌特征的电弧增材制造中各向异性的力学行为数值模拟方法。修正后的位错动力学模型可以很好地反映出电弧增材制造工艺特征导致的材料各向异性行为,且与试验结果一致。电弧增材制造构件在增材高度方向上的力学性能显著低于热源移动方向的力学性能,在增材高度方向上和热源移动方向上晶粒尺寸比达到7.5 mm/1.3 mm时,屈服强度比达到787.8 MPa/865.2 MPa。钛合金在600℃以上出现明显的材料软化,这主要是晶粒球化导致的。     

基于渐进演化策略的增材制造自支撑结构拓扑优化算法

拓扑优化和增材制造分别是先进的结构设计技术和制造技术,将拓扑优化与增材制造融合能产生显著的协同效益.增材制造存在一些独特的制造约束,研究考虑结构自支撑约束的拓扑优化算法,可以降低材料和时间成本.基于SIMP方法框架,建立显式约束函数模型表征结构的自支撑特性,并发展了相应的拓扑优化流程,通过结构渐进演化实现自支撑.研究了相应的灵敏度分析方法,可实现并行计算.提出一个指向性灵敏度过滤算子促进支撑结构演化.采用3个数值算例进行分析,验证了指向性灵敏度过滤的有效性,所有拓扑优化结果均实现了结构自支撑.与典型方法相比,优化结果的可制造性更好.     

增材制造TC4钛合金的动态力学行为研究

增材制造TC4钛合金是具有优良的力学性能和工艺性能的金属材料,在航空航天领域已得到重要应用.近年来,在塑性力学的研究中,探究应力状态对金属材料变形和失效行为的影响得到广泛关注,然而大部分的研究都是在准静态下完成的,对于中高应变率下金属材料变形失效的研究较少.本文从增材制造TC4钛合金的基本力学性能出发,考虑应力状态和应...     

面向增材制造的双蒙皮夹层结构加筋拓扑优化方法

双蒙皮夹层结构是航空航天装备中的特殊承力结构,其典型代表为发动机尾喷管中的同步环构件。近年来,增材制造技术为该类薄壁结构的创新型设计提供了有利条件。但增材制造有其特殊的工艺要求,基于传统拓扑优化得到的设计结果往往存在大量的悬空区域,无法直接应用于增材制造工艺。因此,需要在优化设计阶段统筹考虑结构的力学性能和自支撑工艺约束。针对上述问题,本文提出了一种面向增材制造的双蒙皮夹层薄壁结构加筋拓扑优化方法,可在一次优化中同时得到优化的加筋布局和非均匀点阵分布,从而解决悬空结构的支撑问题,确保优化结果的工艺可达性。为了平衡计算成本和分析精度,本文采用渐进均匀化方法来求解不同类型单胞等效弹性性能,以适应不同复杂单胞构型。基于上述方法,本文给出了某发动机同步环结构的拓扑优化算例,结果表明,本文优化设计方法可以实现双蒙皮夹层结构中夹层加筋和点阵的共同优化,为航空航天装备中发动机同步环结构轻量化设计提供了思路。     

金属增材制造晶体塑性有限胞元自洽聚类分析方法

金属增材制造是一种先进的数字化制造技术, 在高性能及复杂构件快速制备方面具有独特的优势. 然而, 其成形材料微观组织复杂且存在不可避免的制造缺陷, 导致实际制造材料性能与设计性能存在偏差, 亟需发展考虑真实材料微观组织和缺陷的力学性能高效预测方法. 针对该问题, 发展了晶体塑性有限胞元-自洽聚类分析方法, 包括离线数据准备和在线快速计算两个阶段. 其中, 在离线阶段, 采用晶体塑性有限胞元法和聚类算法建立实际微观组织代表体元离散数据; 在线阶段, 采用基于加权余量-子域法的自洽聚类分析和考虑Hall-Petch效应的晶体塑性模型求解了代表体元问题的Lippmann-Schwinger方程, 进而通过应力应变均匀化获得材料的宏观等效力学性能. 通过理想及含不规则孔隙的多晶算例验证了所提出方法的计算精度及高效性; 进一步, 采用该方法研究了激光选区熔融增材制造IN625合金力学性能, 并揭示了工艺参数对其力学性能的影响. 结果表明, 文章工作为金属增材制造成形材料力学性能预测提供了一种高效的计算方法.     

基于拓扑优化和深度学习的新型结构生成方法

计算机辅助设计已广泛应用于结构计算和分析,但如何利用计算机智能生成最佳的新型结构还面临巨大挑战。针对这一问题,提出了一种基于拓扑优化和深度学习的新型结构智能生成方法。该方法首先通过结构拓扑优化分析获得不同参数下的优化结果制作训练集图片,并将训练集标签定义为相应的工况类型,然后应用最小二乘生成对抗网络(LSGAN)深度学习算法进行训练并生成大量的新型结构,最后建立评价指标和评估体系对生成的模型进行评价比较,根据需求选择最佳结构设计方案。结合一个铸钢支座节点底板设计的工程案例,详细阐述了上述方法的应用过程,并借助三维重构技术和增材制造技术实现结构模型的一体化制造。研究结果表明,基于拓扑优化和深度学习的新型结构智能生成方法不仅可以自动生成新的结构,而且可以进一步优化结构的材料用量和力学性能。     

轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

三周期极小曲面结构是一类具有光滑连续曲面和高比表面积的特殊多孔结构, 具有承载能力强、能量吸收率高、疲劳性能好等优异性质, 在航空航天、生物医学和隔声吸声等诸多领域有着广泛的应用. 增材制造技术在制造复杂拓扑结构方面具有独特优势, 为三周期极小曲面结构的制造提供了有力工具. 然而增材制造过程中也引入诸多缺陷, 对结构的力学性能产生重要影响. 全面深入地研究增材制造三周期极小曲面结构的力学性能, 对评价和预测结构性能、扩宽其在工程中的应用具有重要意义. 首先从结构形式、特点及应用领域等方面对三周期极小曲面结构进行了介绍, 重点针对静态压缩吸能、动态抗冲击和疲劳断裂等关键力学性能, 综述了近期的重要进展. 围绕三周期极小曲面结构的隔声吸声性质和热交换性能, 亦进行了讨论. 其次, 以选区激光熔化与选区激光烧结为例, 介绍了增材制造制备三周期极小曲面结构的主要方法. 再次, 结合增材制造技术, 讨论制造过程中引入的缺陷对三周期极小曲面结构力学性能的影响, 包括残余应力、表面粗糙度和内部微孔洞等. 最后, 结合实际应用对该领域面临的主要困难和挑战进行总结, 同时展望了未来的研究方向.

     

基于MJF的极小曲面结构力学行为及吸能特性研究

极小曲面结构是一种表面连续光滑的曲面多孔结构,具有低密度、高强度以及优良的减震吸能等特性,在航空航天、汽车工业、机械装备等领域的结构轻量化设计方面,具有广泛的应用前景.本文采用多射流熔融(MultiJet Fusion,MJF)增材制造技术,结合参数化建模方法,以尼龙PA12为原料制备了体积分数同为20％的3种极小曲面多孔结构(G曲面、P曲面、D曲面).利用准静态压缩试验和数值模拟,分析了不同极小曲面结构的力学响应和吸能特性.研究发现:在力学响应方面,3种极小曲面的平台名义应力分别为4.0 MPa、2.1 MPa和4.75 MPa,明显高于相同体积分数下BCC点阵结构的平台名义应力(2.0 MPa),具有更好的承载能力;在吸能方面,G曲面、P曲面和D曲面的单位体积吸能量近似可达BCC点阵结构的7倍、4倍、8倍.综上所述,与传统BCC点阵结构相比,MJF增材制造工艺制备的极小曲面结构能够更好的分散压力,减少应力集中,表现出优异的力学性能和吸能特性,具有非常好的应用前景.     

热固耦合结构的拓扑优化设计研究

研究了热、固耦合场结构拓扑优化设计中的几个关键问题,建立了热、固两相耦合场问题的控制方程,建立了热、固耦合场结构的拓扑优化模型,用伴随矩阵方法研究了耦合场的敏度分析技术,研究了耦合场拓扑优化中的优化求解数值算法,通过数值算例验证了理论和算法的有效性．     

渐进密度AESO方法及其在热传导结构拓扑优化中的应用

研究用于结构拓扑优化的基于材料添加策略的进化算法(AESO方法).基于进化算法的思想,利用单元材料相对密度的变化描述材料的添加(从O到1)或删除(从1到O).当某些单元满足进化准则时,单元的相对密度进行O-1交化.研究发现.基于一步变化策略的AESO方法往往不能获得正确的拓扑形式,其原因可能是,进化后的响应量是基于密度为O或很小时的敏度经线性近似获得的,与实际相差很大.这种敏度的计算误差问题在ESO、BESO等硬杀算法中都存在.本文提出将进化过程分成多步,以软杀的思想进行硬杀优化,即使材料密度逐渐由O变化到1,实现材料的逐步添加.基于该策略,提出了渐进密度AESO方法,并比较分析了这种逐步添加的做法对结果的影响.算例验证了该方法的正确性和有效性.渐进密度AESO方法为双向进化算法(BESO)提供了有效的进化(材料添加)策略.     

STUDY OF TOPOLOGY OPTIMIZATION FOR THERMO-STRUCTURAL COUPLING FIELD

A number of critical problems of topology optimization concerning the thermostructural coupling field are studied at length. The governing equations and topology optimization model for the thermal-structural coupling field are derived, with an adjoint method for sensitivity analysis of the thermo-structural coupling field proposed. The optimization algorithm for coupling field topology optimization is investigated and a flowchart of coupling field topology optimization presented. The theory and algorithms are implemented and verified by two numerical examples.