面向增材制造的热力耦合拓扑优化方法研究
发布时间：2021-11-21 11:39
拓扑优化方法与增材制造技术的结合,不仅可以发挥增材制造方法在制造复杂结构时的技术优势,同时也可以使拓扑优化得到的最优设计从理论走向实际应用。在SLM（selective laser melting,选择性激光熔化技术）增材制造过程中,结构受热作用容易产生翘曲变形,而且结构悬伸部分在增材制造过程中也容易出现崩塌,需要采用支撑结构才能顺利完成打印,这不仅造成了材料的浪费,也增加了结构后处理的难度。传统的结构拓扑优化通常以结构使用工况下的性能要求为目标,得到的优化结果并没有考虑增材制造过程中的热作用,而不考虑热作用所产生的较大热变形,就无法保证制件的结构精度。再者,基于变密度法的结构拓扑优化设计,优化结果的边界处存在大量的中间密度单元,使得结构边界不清晰,无法直接进行增材制造。为解决上述问题,本文就SLM过程分析、增材制造热载荷作用下的结构优化、结构边界处理以及结构自支撑设计等方面展开研究,主要工作内容如下:首先,研究了结构瞬态热传导分析及热弹塑性变形的相关理论,并基于ANSYS软件建立板状薄壁结构多层成型的温度场、应力场仿真分析模型,探究了SLM成型过程中结构体内部温度分布及应力分布的演化...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
结构优化的三种类型结构优化按其对应的设计阶段可分为：拓扑优化、形状优化、尺寸优化
图 1.1 结构优化的三种类型结构优化按其对应的设计阶段可分为：拓扑优化、形状优化、尺寸优化。如图 1.1所示，拓扑优化是在给定的设计区域内，根据实际工况设定载荷条件、约束条件以及结构性能目标，通过科学计算得到设计域内满足设计要求的最优材料分布。形状优化是在结构材料拓扑分布大致确定的情况下，通过研究合适的结构边界形状以提高结构的性能。尺寸优化是在结构拓扑形式及边界形状大致确定的情况下，通过研究边界几何形状的尺寸来提高结构的性能。三种结构优化方法，依次对应于结构设计的概念设计阶段、基本设计阶段、详细设计阶段，相应的结构优化幅度逐渐减低。由于拓扑优化可以在结构形式完全未知的情况下，凭借理论计算得到符合设计目标的最优结构形式，相比于另外两种结构优化方法，拥有更高的设计自由度，对结构性能的改善也最为显著，并且可以为难以凭经验进行设计的结构提供指导，因此结构拓扑优化成为了当前结构优化领域的研究重点[1]。图 1.2 所示为汽车摆臂的拓扑优化实例。
中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论程热源模型的选择仿真分析中，热源的选择直接决定了温度场、应力场较为普遍的热源模型有：半球热源模型、双椭球热源源模型以及组合热源模型等。本文针对 SLM 中激光点，采用高斯热源模型作为 SLM 仿真过程的热源[围内分析点处的能量强度 q( r )的表达式如下：2222( ) erRApq r R ）中，A、 p 、 R 、 r 分别为金属粉末材料的激光吸收率、径以及分析点距激光中心点的距离。高斯热源能量密
【参考文献】：
期刊论文
[1]选择性激光熔化成型中零件成型角度对其机械性能的影响[J]. 姜献峰,熊志越,王同鹤,张焕杰,王禹峰. 浙江工业大学学报. 2017(05)
[2]选择性激光熔化成型的二维轮廓填充算法[J]. 毛立坤,高峰,袁自钧,陈向东,吴本科. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2017(03)
[3]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)
[4]增材制造:实现宏微结构一体化制造[J]. 李涤尘,贺健康,田小永,刘亚雄,张安峰,连芩,靳忠民,卢秉恒. 机械工程学报. 2013(06)
[5]选择性激光熔化成形关键基础问题的研究进展[J]. 李瑞迪,魏青松,刘锦辉,史玉升,袁铁锤. 航空制造技术. 2012(05)
[6]多相材料结构拓扑优化:体积约束还是质量约束?[J]. 高彤,张卫红,Duysinx Pierre. 力学学报. 2011(02)
[7]热弹性结构的拓扑优化设计[J]. 孙士平,张卫红. 力学学报. 2009(06)
[8]基于应力突变率的双向进化结构优化方法[J]. 孙圣权,张大可,徐云岳,刘耀峰. 机械设计与研究. 2008(02)
[9]金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟 Ⅰ．沉积过程中温度场的模拟[J]. 石力开,高士友,席明哲,纪宏志,张永忠,杜宝亮. 金属学报. 2006(05)
[10]金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟 Ⅱ．沉积过程中热应力场的模拟[J]. 石力开,高士友,席明哲,纪宏志,张永忠,杜宝亮. 金属学报. 2006(05)
本文编号：3509444
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
结构优化的三种类型结构优化按其对应的设计阶段可分为：拓扑优化、形状优化、尺寸优化
图 1.1 结构优化的三种类型结构优化按其对应的设计阶段可分为：拓扑优化、形状优化、尺寸优化。如图 1.1所示，拓扑优化是在给定的设计区域内，根据实际工况设定载荷条件、约束条件以及结构性能目标，通过科学计算得到设计域内满足设计要求的最优材料分布。形状优化是在结构材料拓扑分布大致确定的情况下，通过研究合适的结构边界形状以提高结构的性能。尺寸优化是在结构拓扑形式及边界形状大致确定的情况下，通过研究边界几何形状的尺寸来提高结构的性能。三种结构优化方法，依次对应于结构设计的概念设计阶段、基本设计阶段、详细设计阶段，相应的结构优化幅度逐渐减低。由于拓扑优化可以在结构形式完全未知的情况下，凭借理论计算得到符合设计目标的最优结构形式，相比于另外两种结构优化方法，拥有更高的设计自由度，对结构性能的改善也最为显著，并且可以为难以凭经验进行设计的结构提供指导，因此结构拓扑优化成为了当前结构优化领域的研究重点[1]。图 1.2 所示为汽车摆臂的拓扑优化实例。
中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论程热源模型的选择仿真分析中，热源的选择直接决定了温度场、应力场较为普遍的热源模型有：半球热源模型、双椭球热源源模型以及组合热源模型等。本文针对 SLM 中激光点，采用高斯热源模型作为 SLM 仿真过程的热源[围内分析点处的能量强度 q( r )的表达式如下：2222( ) erRApq r R ）中，A、 p 、 R 、 r 分别为金属粉末材料的激光吸收率、径以及分析点距激光中心点的距离。高斯热源能量密
【参考文献】：
期刊论文
[1]选择性激光熔化成型中零件成型角度对其机械性能的影响[J]. 姜献峰,熊志越,王同鹤,张焕杰,王禹峰. 浙江工业大学学报. 2017(05)
[2]选择性激光熔化成型的二维轮廓填充算法[J]. 毛立坤,高峰,袁自钧,陈向东,吴本科. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2017(03)
[3]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)
[4]增材制造:实现宏微结构一体化制造[J]. 李涤尘,贺健康,田小永,刘亚雄,张安峰,连芩,靳忠民,卢秉恒. 机械工程学报. 2013(06)
[5]选择性激光熔化成形关键基础问题的研究进展[J]. 李瑞迪,魏青松,刘锦辉,史玉升,袁铁锤. 航空制造技术. 2012(05)
[6]多相材料结构拓扑优化:体积约束还是质量约束?[J]. 高彤,张卫红,Duysinx Pierre. 力学学报. 2011(02)
[7]热弹性结构的拓扑优化设计[J]. 孙士平,张卫红. 力学学报. 2009(06)
[8]基于应力突变率的双向进化结构优化方法[J]. 孙圣权,张大可,徐云岳,刘耀峰. 机械设计与研究. 2008(02)
[9]金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟 Ⅰ．沉积过程中温度场的模拟[J]. 石力开,高士友,席明哲,纪宏志,张永忠,杜宝亮. 金属学报. 2006(05)
[10]金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟 Ⅱ．沉积过程中热应力场的模拟[J]. 石力开,高士友,席明哲,纪宏志,张永忠,杜宝亮. 金属学报. 2006(05)
本文编号：3509444
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