增材制造結構熱變形緩和優(yōu)化與考慮尺寸約束的構型設計.pdf

1、增材制造技術是一種革命性的制造手段，在近十幾年間發(fā)展迅速，其發(fā)展和應用受到國內外廣泛關注和高度重視。增材制造技術采用材料逐漸累加的方式制造結構，相對于傳統(tǒng)的制造手段，能夠實現(xiàn)高度復雜結構的自由“生長”成形。這拓寬了結構的可設計“空間”，使面向性能而非可制造性的設計成為可能。結構拓撲優(yōu)化能夠根據性能要求在設計域內合理布置材料自動獲得最優(yōu)的結構形式，是先進結構創(chuàng)新設計的有效工具。將增材制造（先進制造技術）與拓撲優(yōu)化（先進設計方法）結合對先進

2、材料與結構的研發(fā)具有重要意義，需要研究實現(xiàn)兩者結合中遇到的問題，例如，結構構型設計中需要考慮制造工藝對結構特征尺寸的限制以及制造進程設計對結構殘余變形的影響等。本文分析掃描軌跡對增材制造結構熱變形的影響，研究建立實現(xiàn)熱變形緩和的掃描路徑設計方法以及支撐結構的支撐點位置設計方法;考慮制造工藝對最優(yōu)構型的影響，研究建立考慮最大和最小特征尺寸約束的結構拓撲優(yōu)化模型和求解方法。為增材制造與拓撲優(yōu)化的結合提供了一定的基礎。主要研究內容和成果如下。

3、
　　(1)面向結構熱變形緩和的掃描軌跡優(yōu)化設計。增材制造過程中局部熱源移動引起溫度分布不均勻，極易引起大的溫度梯度造成熱殘余變形。針對熱殘余變形緩和的需求，建立了利用激光在一塊金屬板的上方中心區(qū)域進行掃描的數(shù)值仿真模型，分析了掃描軌跡對熱殘余變形的影響機理，研究建立了基于分區(qū)掃描的掃描軌跡兩步設計方法，該方法能夠實現(xiàn)分區(qū)設計（分區(qū)幾何以及分區(qū)掃描次序）和分區(qū)內部的掃描軌跡設計。針對具體設計實例，給出了優(yōu)化的分區(qū)掃描路徑設計。設計

4、結果表明，掃描軌跡設計能夠大幅緩和熱殘余變形。
　　(2)面向結構熱變形緩和的支撐點位置優(yōu)化設計。增材制造過程中往往需要使用支撐結構，一個重要的原因在于支撐結構能夠限制上方結構發(fā)生的熱變形。為了去除的方便，支撐結構同上方結構之間往往采用點的形式連接。針對增材制造結構熱殘余變形緩和的需求，提出了支撐結構與上方結構間連接點位置的優(yōu)化設計問題。針對優(yōu)化設計時需要進行大量非線性熱力耦合仿真模型求解的問題，提出了一種建立真實仿真模型的等效簡

5、化模型的方法，利用等效模型進行優(yōu)化可以大幅減小優(yōu)化的計算量。針對等效模型同真實模型有一定偏差的問題，提出了一種逐步修正等效模型的迭代的優(yōu)化設計方法。通過具體的設計實例驗證了方法的有效性。
　　(3)基于映射的拓撲優(yōu)化最大最小尺寸控制方法。拓撲優(yōu)化方法經過幾十年的發(fā)展，已成功應用于工程結構的構型設計。然而，由于制造工藝的限制，拓撲優(yōu)化結果通常無法直接應用，需根據工藝要求進行修改，因此在拓撲優(yōu)化模型中考慮制造約束成為重要的研究方向。其

6、中，尺寸控制廣泛存在于大部分制造工藝中，主要包括最小尺寸控制與最大尺寸控制。面向上述需求，提出了一種基于映射的拓撲優(yōu)化最大尺寸控制方法，構造了一種新的映射模型對結構中不滿足最大尺寸約束的中心單元密度進行懲罰，在不引入任何約束條件的情況下實現(xiàn)了對結構最大尺寸的控制。在此基礎上，將該方法中的懲罰轉變?yōu)橐粋€全局約束條件后與具有最小尺寸控制功能的拓撲優(yōu)化魯棒列式相結合，實現(xiàn)了對結構的最大最小尺寸協(xié)同控制。此外，簡要研究了基于映射的對稱與模式重復

7、約束以及懸挑結構最大角度約束實現(xiàn)方法。通過拓撲優(yōu)化設計實例驗證了所提出的方法的有效性。
　　(4)面向改善尋優(yōu)結果的拓撲優(yōu)化尋優(yōu)進程研究。目前，拓撲優(yōu)化方法并不能保證得到全局最優(yōu)的結構形式，在一些問題中可能會得到不夠理想的尋優(yōu)結果。針對這樣的問題，通過一個使用多種初始解的算例從直觀角度對拓撲優(yōu)化的尋優(yōu)進程進行了分析，指出拓撲優(yōu)化的尋優(yōu)進程分三種方式。其中中間密度值的基結構演化這一方式會在構型接近于0-1分明時消失。針對基結構消失后