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设计与制造一体化——拓扑优化与增材制造完美结合

发布时间:2017-07-03 作者:刘书田  来源:航空制造网
关键字:拓扑优化 制造一体化 
增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)通过材料层层累加的方式实现结构的制备。这种独特的制造方式可实现高度复杂结构的自由“生长”成形,极大地拓宽了设计“空间”,为新型结构及材料的制备提供了强大的工具。
    增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)通过材料层层累加的方式实现结构的制备。这种独特的制造方式可实现高度复杂结构的自由“生长”成形,极大地拓宽了设计“空间”,为新型结构及材料的制备提供了强大的工具。然而,现有的增材制造结构,绝大部分仍然采用面向传统制造工艺的设计构型。这样所制备的结构并未充分利用增材制造所提供的新型设计空间,性能无法在本质上得到飞跃。甚至受限于增材制造技术的不成熟,其性能劣于传统制造工艺所制备的结构。
 
    拓扑优化因其不依赖初始构型及工程师经验,可获得完全意想不到的创新构型,受到学者以及工程人员的广泛关注。通俗地讲,拓扑优化就是利用优化的手段,寻找结构内部哪里需要布置材料,布置何种材料,在保证一定约束下获取最优的性能。
 
 拓扑优化示意图
 
    拓扑优化示意图
 
    然而,拓扑优化结果几何构型复杂,采用传统制造工艺制备非常困难,因此拓扑优化方法与实际工程结构设计之间仍存在较大的鸿沟。设计人员往往要基于制造技术及经验对优化结果进行二次设计,来满足可制造性,降低制造成本。这种做法往往会损坏结构的最优性,得到的结构性能甚至达不到已有构型。另一方面,受制于传统设计理念及制造工艺,结构往往仅进行宏观拓扑设计,并未充分利用结构在多尺度上的变化或者空间梯度变化所带来的广阔设计空间,使得产品性能提升非常有限。
 
    增材制造技术的出现,使得几何形式高度复杂,且使从微纳到宏观多个几何尺度结构的制备成为可能。它颠覆了传统制造技术的局限,解决了产品研发存在的“制造决定设计”问题。
 
    因此,将拓扑优化(先进设计技术)与增材制造(先进制造技术)融合,发展创新设计技术具有广阔的前景,已引起学术界的广泛关注。航空结构创新研发具有小批量、多品种、高性能等特点。突破现有设计极限对结构创新设计技术及快速试制技术提出了更高的要求。增材制造作为一种“无模敏捷制造”技术,可大幅降低研发周期和成本,是“快速试制”的核心技术。
 
    面向增材制造的优质结构构型设计
 
    整体结构层级化、材料属性梯度化、功能结构一体化、结构多功能化已成为新结构与材料的重要发展方向。基于增材制造工艺,突破传统设计“极限”,研发整体化、轻量化、低成本的高性能新结构和材料是新一代重大/ 高端装备与结构研制的迫切需求。本节将主要介绍基于拓扑优化方法,从4个方面设计创新优质结构构型。
 
    1 特定/特异性能材料微结构拓扑优化设计
 
    复合材料因具有传统单一材料所无法达到的性能,且具有良好的可设计性,受到研究人员的广泛关注。通过设计微结构的构型,获得具有特定/ 特异性能的周期性复合材料已成为材料领域的研究热点,这种方式获得的新型材料也常称为构造化材料。拓扑优化技术为微结构构型设计提供了强大的工具,已开展了相当广泛的研究。基于增材制造技术,实现高性能构造化材料的制备,已然成为研究的前沿问题。
 
 基于拓扑优化设计微结构构型示意图
 
    基于拓扑优化设计微结构构型示意图
 
    2 多层级结构拓扑优化设计
 
    多层级结构设计是指在结构的宏观和微观等多个层级上同时设计结构的构型,如图所示,这样可有效扩大设计空间,有利于获得性能优异的结构构型。
 
多层级结构设计示意图
 
    多层级结构设计示意图
 
超轻金属点阵材料
   
    超轻金属点阵材料
 
基于多层级结构设计的骨骼重构
  
    基于多层级结构设计的骨骼重构
 
    多层级结构的拓扑优化设计在沉寂了10 年后,由于增材制造的快速发展,再次进入了一个新的研究热潮。然而,现有方法依然面临着许多技术难点,比如设计变量多、计算量过大等,如何在设计空间与计算效率上进行权衡,建立适用于工程结构设计的方法依然是未解决的难题。此外,现有设计大多基于均匀化方法将微结构等效为均质材料,未考虑结构的尺寸效应。

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