文 靜

（寧夏工商職業(yè)技術學院，寧夏 銀川 750021）

近年來，產(chǎn)品輕量化在眾多領域應用廣泛，起到了至關重要的作用。一般來說，輕量化分為兩種：材料輕量化和結構輕量化。其中，材料輕量化是在保證零件服役性能的基礎上盡可能采用鋁、鈦合金等輕質(zhì)材料制造，以實現(xiàn)輕量化。結構輕量化旨在通過優(yōu)化結構設計，在保證性能的基礎上減輕零件重量，從而減少了機械整體的重量，降低了汽車、智能機器人設備運行能耗，顯著降低了生產(chǎn)制造成本，這使得輕量化的優(yōu)勢及應用意義也越發(fā)凸顯出來[1]。

拓撲優(yōu)化設計理念和思路，正是一種兼顧了結構輕量化和力學性能的優(yōu)化方法，是結構設計輕量化中相當重要的方法。一般來說，拓撲優(yōu)化是通過分析零件上不同受力的荷載方向，在確定設計領域后對該空間內(nèi)的材料分布及受力荷載進行合理搭配，由此獲得最佳的結構布局，即最佳的荷載路徑。而后按照實際應用需求形成三維模型，從而獲得能夠滿足剛度、應力需求的輕量化部件。

但是通過拓撲優(yōu)化后的結構一般存在不規(guī)則性及加工制造困難的局限性，復雜三維結構采用傳統(tǒng)加工工藝很難成型，從而限制了其應用，而增材制造技術的出現(xiàn)剛好解決了這一難題。增材技術是通過軟件將三維模型切換成二維平面，而后逐層打印成型，這極大程度地減低了因結構而造成的加工難度，提高了小批量的短周期生產(chǎn)效率和材料利用率，使得高性能、復雜輕量化結構得以實現(xiàn)。

文章通過Hyperworks軟件對工業(yè)機器人支架進行優(yōu)化設計，通過對受力荷載及最佳材料分布的分析，規(guī)劃了最佳荷載路徑，而后采用選擇性激光熔化技術進行制造，打印成型后在保證維持其他性能的前提下，零件較原零件結構的重量減少了20%以上，達到了輕量化的目的。為機械設計、零件制造等行業(yè)的輕量化提供了一種快捷、便利、新型的設計成型方法，對于提高零件的設計效率，縮短制造業(yè)研發(fā)周期具有重要的參考價值。

1 原始結構及背景

對于工業(yè)機器人產(chǎn)品而言，結構產(chǎn)品對重量的敏感度最高，輕量化在降低能耗、改善運動靈活性、提高荷載等方面至關重要。文章對工業(yè)機器人的某通用支架進行拓撲優(yōu)化，通過Hyperworks軟件對原有零件的工況條件進行CAE分析，在設計域內(nèi)根據(jù)分析結果重新規(guī)劃傳力路徑及最佳材料分布，從而達到拓撲優(yōu)化的目的，最終結合金屬SLM技術實現(xiàn)拓撲優(yōu)化結構的制造。該零件原始設計結構如圖1所示。原始設計幾何特征采用板條、斜筋的結構形式，應用傳統(tǒng)加工工藝成型，零件設計整體笨重，材料冗余，其幾何參數(shù)如表1所示。為此，希望通過拓撲優(yōu)化設計將零件重量減輕20%以上，同時不犧牲其強度及剛度性能[2]。

圖1 工業(yè)機器人通用支架的原始設計結構

表1 工業(yè)機器人通用支架的原始幾何參數(shù)

2 拓撲優(yōu)化設計

拓撲優(yōu)化實際上是對材料和受力荷載的一種分析搭配，通過優(yōu)化使零件達到最佳的荷載分布，其主要流程圖如圖2所示。

2.1 初始模型簡化及網(wǎng)格劃分

進行有限元模型的網(wǎng)格劃分之前首先需要簡化原模型。將原模型存在的圓角、工藝孔等細小結構刪除，由于在網(wǎng)格劃分時圓角、細小孔洞結構容易產(chǎn)生過多的細小畸變單元，從而導致分析結果與實際存在偏差，同時會在很大程度上增加有限元計算量并影響有限元分析結果的準確度。因此，需要綜合考慮計算精度影響及規(guī)模，對局部特征進行結構簡化，以此提高有限元模型的網(wǎng)格劃分質(zhì)量，進而提高模擬準確度。簡化原模型后，利用HyperMesh進行網(wǎng)格劃分，首先將簡化后的模型拆分為有公共面的三個體，依次對每個體的特征面及公共面進行2D網(wǎng)格劃分，再使用drag命令生成3D網(wǎng)格單元，網(wǎng)格大小為0.15mm，劃分網(wǎng)格單元數(shù)量為308225，網(wǎng)格質(zhì)量為Comp.QI 0.02，原模型網(wǎng)格劃分信息如圖3所示。

圖2 拓撲優(yōu)化流程圖

圖3 支架有限元模型網(wǎng)格劃分

2.2 初始模型的有限元分析

已知該工業(yè)機器人支架使用環(huán)境加載及約束情況，支架頂部需裝載電機，受繞Y軸方向的轉矩Mz=100Nm，該輸入荷載是基于ADAMS軟件分析得出，文章不再贅述。支架底座需與螺栓固定，約束X、Y、Z軸方向的平動自由度，約束底部6個螺栓孔的6個自由度，支架通過零件頭部連接孔與其他零件剛性連接，在該節(jié)點上施加繞Y軸逆時針旋轉轉矩100Nm，如圖4所示。

圖4 支架加載及約束情況

設置支架材料屬性為316L不銹鋼，材料密度ρ=7.8×103kg/m3，彈性模量E=168GPa，泊松比μ=0.293，抗拉強度σb=500MPa。

在Hyperworks軟件中按上述加載進行靜力學分析，得到初始模型的應力云圖和變形位移云圖，最大應力為51.39MPa，最大位移為0.02mm，如圖5所示。

圖5 支架初始模型應力云圖及變形位移云圖

通過仿真分析可知，整個支架初始模型最大應力較低，遠小于材料的屈服強度，最大變形位移只有0.02mm，且主要變形在斜板及頭部區(qū)域，整個底座幾乎全為藍色，應力水平和變形都很小，存在較高的材料冗余度[3-4]。

2.3 支架拓撲優(yōu)化設計

因為支架在底座及頭部需要安裝固定及連接，所以在進行結構拓撲優(yōu)化前需劃分設計域與非設計域，如圖6所示。設計域為灰色部分，而支架的上軸孔、底板裝卡孔為非設計域（紅色部分），劃分設計域后，利用Hyperworks拓撲分析在設計域內(nèi)分析尋找傳力路徑及最佳材料分布。優(yōu)化參數(shù)目標：min（compliance）（使柔度最小，即剛度最大）。

圖6 支架的設計域與非設計域劃分

采用變密度法，以柔度最小為目標函數(shù)進行拓撲優(yōu)化[5]，使約束條件及工況荷載、網(wǎng)格劃分等參數(shù)與初始模型保持一致，拓撲優(yōu)化后結果如圖7所示。從優(yōu)化結果看，加強筋部材料密度小且分布不連續(xù)，可適當減弱該區(qū)域結構，底部位置分布連續(xù)，需重點加強該區(qū)域結構。另外，對于支架的頭部位置也應適當加強結構，以保證固定連接處的性能強度。

圖7 支架拓撲優(yōu)化云圖

2.4 支架模型重構

根據(jù)上述的拓撲優(yōu)化結果對支架進行局部重構設計，如圖8所示。具體更改內(nèi)容如下：（1）斜板處加強筋更換為2根柱狀斜支撐結構；（2）底部實板結構更換為中空外實圈結構；（3）方形頭部結構更換為圓柱形連接結構。

圖8 拓撲結構優(yōu)化模型圖

2.5 支架拓撲優(yōu)化結果分析

由于未確認拓撲重構的模型性能水平，因此需要對拓撲優(yōu)化后的支架零件進行二次模擬分析，其模擬過程的約束條件、工況加載等參數(shù)和原模型保持一致，分析結果如圖9所示。

通過分析結果圖可知，拓撲優(yōu)化后支架最大應力荷載為43.78MPa，最小變形位移為0.0188mm，相關性能參數(shù)均優(yōu)于原模型。與拓撲優(yōu)化前的原模型分析結果進行對比可知，支架拓撲優(yōu)化在保證力學性能的前提下，達到了預期減重的目的，優(yōu)化前后支架力學性能及重量如表2所示。

當然，從以上分析結果可以看出，當前結構設計仍較為保守，因而可以在此基礎上進一步減小支架主體結構的壁厚及截面直徑，以此降低零件重量。優(yōu)化結果可再次使用上文所述方法進行校核，如此反復即可得到最優(yōu)解，對此文章不再贅述。

3 金屬打印成型

3.1 金屬3D打印成型

圖9 支架優(yōu)化模型應力云圖及變形位移云圖

表2 支架優(yōu)化前后力學性能對比

經(jīng)拓撲優(yōu)化重構設計后，該產(chǎn)品的幾何結構多為空間放射狀的曲面結構，該結構使用傳統(tǒng)CNC加工方式成型，難度較大。隨著增材制造技術的不斷發(fā)展，以選擇性激光熔化技術（SLM）為代表的金屬3D打印技術日益成熟，該技術可以達到自由成型金屬零件的目的，不受零件形狀的制約。通過高功率激光使合金粉末逐層融化、逐層凝固的方法來使零件成型，這種金屬3D打印技術可以突破傳統(tǒng)加工方法的限制，實現(xiàn)外表形狀和內(nèi)腔結構復雜的金屬零件的自由制造，為拓撲優(yōu)化產(chǎn)品提供了新的成型方法。通過金屬打印的快速化試制，將拓撲優(yōu)化輕量化結果與金屬打印優(yōu)勢快速結合，真正實現(xiàn)零件的短周期、快速化研發(fā)試制，一定程度上提高了生產(chǎn)制造效率，降低了生產(chǎn)制造成本。

3.2 打印方案設計

文章推薦使用型號為德國Solutions SLM280的SLM成型設備對工業(yè)機器人支架進行打印制作，該設備結構主要包括激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分，其采用IPG生產(chǎn)制造水冷冷卻方式的光纖激光器，額定功率為700W（雙激光），波長為1071nm，打印尺寸精度為0.1mm，表面粗糙度小于Ra12.5。

根據(jù)此零件的結構特點，推薦采用316L不銹鋼粉末進行打印，該打印粉末材料的化學成分如表3所示。同時打印前進行配套打印基板及刮刀的準備。規(guī)劃打印參數(shù)如下：光斑直徑為100μm，打印層厚40μm，激光功率為155W，掃描速度為1200mm/s，掃描間距為0.4mm，打印過程中艙室含氧量小于0.5‰，其余按照工藝參數(shù)設定值打印[6]。

表3 316L打印材料化學成分

金屬打印流程如圖10所示。零件打印完成后，去除打印零件的多余支撐結構，在熱處理爐中進行800℃保溫2h的退火熱處理，去除零件的打印殘余應力，經(jīng)熱處理后零件力學性能如表4所示。最后使用噴砂機對零件表面噴砂，即可得到最終成品。

表4 熱處理后力學性能

4 結論

工業(yè)機器人支架經(jīng)拓撲優(yōu)化設計重構后，可在保證原有性能不變的基礎上，實現(xiàn)產(chǎn)品結構輕量化，較未優(yōu)化前降重20%以上，拓撲優(yōu)化在工程設計領域作用巨大。拓撲優(yōu)化的產(chǎn)品一般結構復雜，傳統(tǒng)加工難以成型，利用3D打印技術可完美解決這一難題。

文章所述的3D打印技術特有的成型優(yōu)勢與拓撲優(yōu)化結合，可顯著提高產(chǎn)品研發(fā)效率，降低產(chǎn)品制造成本，完成產(chǎn)品的快速成型試制，是一種新型的智能化、創(chuàng)新型技術解決方案。