基于增材制造悬垂约束的结构拓扑优化方法研究
发布时间：2021-10-22 20:20
近年来,增材制造技术获得了广泛关注与快速发展,有望推动制造业的新一轮技术变革。充分利用增材制造可以加工几乎任意复杂模型的优良特性,开展面向增材制造的创新设计方法研究,是实现结构轻量化、设计引导制造、功能驱动设计的重要途径。作为结构创新设计的重要手段,拓扑优化能够实现多载荷、多工况约束下的材料最优分布,不仅能够实现零件减重增效的应用需求,还可以显著降低材料成本,提高生产效率。将拓扑优化设计方法与增材制造技术相结合,能够更好地发挥创造力与先进制造技术的优势,优化结构的设计空间。然而,传统的拓扑优化设计方法并未充分考虑增材制造技术引入的新的工艺约束问题,表现为优化结果中可能存在悬垂区域或者封闭空腔等。为确保制造过程的稳定性,角度过大或距离过长的悬垂区域需要添加支撑结构,不但容易降低成形效率,而且还会导致额外的材料消耗。如何将尺寸、悬垂、空腔等增材制造工艺约束有效集成到拓扑优化过程中,是面向增材制造的结构优化设计需要考虑的关键问题。鉴于此,本文以增材制造悬垂特征约束为研究对象,以支撑最小化为设计目标,研究了面向增材制造悬垂约束的拓扑优化设计方法,具体研究内容及成果如下:（1）系统总结了拓扑优化...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．?１增材制造与拓扑优化结合的成功案例??图１．１中这些看起来异常复杂的结构均离不开拓扑优化（ＴｏｐｏｌｏｇｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＴＯ）??
传统的制造方式，例如铣削、切割、钻孔等，是从整块材料逐渐去除多余部分以达??到最终所需构型的制造方式，因此被称为“减材制造”。而增材制造是指通过在需要的部??位逐层沉积或熔化材料来叠加成形的一类新兴制造方式。图１．３展示了增材制造技术的??主要过程：将零件的ＳＴＬ格式模型通过相关软件“切片”成适当厚度的层，规划打印路??径并设置加工参数等，将加工材料按路径层层顺序打印，从而将数字模型转换成物理零??件。??１．２．１增材制造的主要制造方式??增材制造技术可以通过多种方式分类，根据材料的不同，可分为金属丝材、金属粉??末和非金属材料，根据热源分类有激光、电子束、等离子弧、电弧等，根据材料添加的??形式又可分为铺粉、送粉和送丝方式［８］。表１．１为当前存在的几种増材制造技术分类，??其中比较成熟的有以下几种技术：??德?Ｉｉ?Ｉ?ｆ??＿＿＿＿＿??Ｌ．＿＿?麵１，１??ＣＡＤ模型?分层切片?逐层打印??图１．３增材制造技术的主要流程??２??
缺点：设计结果几何高度复杂Ｉ?ｔ?Ｉ优点：能够考虑复杂工况与约束??拓扑优化??图１．２增材制造与拓扑优化优劣互补??１．２增材制造技术发展现状??传统的制造方式，例如铣削、切割、钻孔等，是从整块材料逐渐去除多余部分以达??到最终所需构型的制造方式，因此被称为“减材制造”。而增材制造是指通过在需要的部??位逐层沉积或熔化材料来叠加成形的一类新兴制造方式。图１．３展示了增材制造技术的??主要过程：将零件的ＳＴＬ格式模型通过相关软件“切片”成适当厚度的层，规划打印路??径并设置加工参数等，将加工材料按路径层层顺序打印，从而将数字模型转换成物理零??件。??１．２．１增材制造的主要制造方式??增材制造技术可以通过多种方式分类，根据材料的不同，可分为金属丝材、金属粉??末和非金属材料，根据热源分类有激光、电子束、等离子弧、电弧等，根据材料添加的??形式又可分为铺粉、送粉和送丝方式［８］。表１．１为当前存在的几种増材制造技术分类，??其中比较成熟的有以下几种技术：??德?Ｉｉ?Ｉ?ｆ??＿＿＿＿＿??Ｌ．＿＿?麵１
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于映射的拓扑优化最大尺寸控制方法[J]. 白伟,李取浩,陈文炯,刘书田. 工程力学. 2017(09)
[2]结构拓扑优化变密度法的灰度单元等效转换方法[J]. 吴一帆,郑百林,何旅洋,杨彪. 计算机辅助设计与图形学学报. 2017(04)
[3]激光增材制造技术的研究现状及发展趋势[J]. 杨强,鲁中良,黄福享,李涤尘. 航空制造技术. 2016(12)
[4]增材制造技术的应用及其发展[J]. 袁茂强,郭立杰,王永强,王力,王联凤. 机床与液压. 2016(05)
[5]An identification method for enclosed voids restriction in manufacturability design for additive manufacturing structures[J]. Shutian LIU,Quhao LI,Wenjiong CHEN,Liyong TONG,Gengdong CHENG. Frontiers of Mechanical Engineering. 2015(02)
[6]国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）[J]. 电加工与模具. 2015(S1)
[7]增材制造技术的研究现状及其发展趋势[J]. 郭志飞,张虎. 机床与液压. 2015(05)
[8]基于神经网络与遗传算法的薄壁件多重装夹布局优化[J]. 秦国华,赵旭亮,吴竹溪. 机械工程学报. 2015(01)
[9]增材制造（3D打印）技术发展[J]. 卢秉恒,李涤尘. 机械制造与自动化. 2013(04)
[10]结构优化方法研究综述[J]. 许素强,夏人伟. 航空学报. 1995(04)
硕士论文
[1]面向增材制造的拓扑优化结果精细化设计[D]. 刘君欢.大连理工大学 2016
[2]金属粉末选区激光熔化成形工艺研究[D]. 尹华.中北大学 2010
本文编号：3451786
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．?１增材制造与拓扑优化结合的成功案例??图１．１中这些看起来异常复杂的结构均离不开拓扑优化（ＴｏｐｏｌｏｇｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＴＯ）??
传统的制造方式，例如铣削、切割、钻孔等，是从整块材料逐渐去除多余部分以达??到最终所需构型的制造方式，因此被称为“减材制造”。而增材制造是指通过在需要的部??位逐层沉积或熔化材料来叠加成形的一类新兴制造方式。图１．３展示了增材制造技术的??主要过程：将零件的ＳＴＬ格式模型通过相关软件“切片”成适当厚度的层，规划打印路??径并设置加工参数等，将加工材料按路径层层顺序打印，从而将数字模型转换成物理零??件。??１．２．１增材制造的主要制造方式??增材制造技术可以通过多种方式分类，根据材料的不同，可分为金属丝材、金属粉??末和非金属材料，根据热源分类有激光、电子束、等离子弧、电弧等，根据材料添加的??形式又可分为铺粉、送粉和送丝方式［８］。表１．１为当前存在的几种増材制造技术分类，??其中比较成熟的有以下几种技术：??德?Ｉｉ?Ｉ?ｆ??＿＿＿＿＿??Ｌ．＿＿?麵１，１??ＣＡＤ模型?分层切片?逐层打印??图１．３增材制造技术的主要流程??２??
缺点：设计结果几何高度复杂Ｉ?ｔ?Ｉ优点：能够考虑复杂工况与约束??拓扑优化??图１．２增材制造与拓扑优化优劣互补??１．２增材制造技术发展现状??传统的制造方式，例如铣削、切割、钻孔等，是从整块材料逐渐去除多余部分以达??到最终所需构型的制造方式，因此被称为“减材制造”。而增材制造是指通过在需要的部??位逐层沉积或熔化材料来叠加成形的一类新兴制造方式。图１．３展示了增材制造技术的??主要过程：将零件的ＳＴＬ格式模型通过相关软件“切片”成适当厚度的层，规划打印路??径并设置加工参数等，将加工材料按路径层层顺序打印，从而将数字模型转换成物理零??件。??１．２．１增材制造的主要制造方式??增材制造技术可以通过多种方式分类，根据材料的不同，可分为金属丝材、金属粉??末和非金属材料，根据热源分类有激光、电子束、等离子弧、电弧等，根据材料添加的??形式又可分为铺粉、送粉和送丝方式［８］。表１．１为当前存在的几种増材制造技术分类，??其中比较成熟的有以下几种技术：??德?Ｉｉ?Ｉ?ｆ??＿＿＿＿＿??Ｌ．＿＿?麵１
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于映射的拓扑优化最大尺寸控制方法[J]. 白伟,李取浩,陈文炯,刘书田. 工程力学. 2017(09)
[2]结构拓扑优化变密度法的灰度单元等效转换方法[J]. 吴一帆,郑百林,何旅洋,杨彪. 计算机辅助设计与图形学学报. 2017(04)
[3]激光增材制造技术的研究现状及发展趋势[J]. 杨强,鲁中良,黄福享,李涤尘. 航空制造技术. 2016(12)
[4]增材制造技术的应用及其发展[J]. 袁茂强,郭立杰,王永强,王力,王联凤. 机床与液压. 2016(05)
[5]An identification method for enclosed voids restriction in manufacturability design for additive manufacturing structures[J]. Shutian LIU,Quhao LI,Wenjiong CHEN,Liyong TONG,Gengdong CHENG. Frontiers of Mechanical Engineering. 2015(02)
[6]国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）[J]. 电加工与模具. 2015(S1)
[7]增材制造技术的研究现状及其发展趋势[J]. 郭志飞,张虎. 机床与液压. 2015(05)
[8]基于神经网络与遗传算法的薄壁件多重装夹布局优化[J]. 秦国华,赵旭亮,吴竹溪. 机械工程学报. 2015(01)
[9]增材制造（3D打印）技术发展[J]. 卢秉恒,李涤尘. 机械制造与自动化. 2013(04)
[10]结构优化方法研究综述[J]. 许素强,夏人伟. 航空学报. 1995(04)
硕士论文
[1]面向增材制造的拓扑优化结果精细化设计[D]. 刘君欢.大连理工大学 2016
[2]金属粉末选区激光熔化成形工艺研究[D]. 尹华.中北大学 2010
本文编号：3451786
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