唐鋒，熊建武，胡智清，徐文慶

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410208； 2.復(fù)雜薄壁精密零件智能柔性加工技術(shù)湖南省工程研究中心，長沙 410082；3.湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽 421002)

輕量化是制造業(yè)領(lǐng)域的一個重要研究方向，同時也是設(shè)計者不斷追求的目標(biāo)[1]，輕量化可以降低汽車、飛機(jī)的燃油消耗，可以降低航空飛船的發(fā)射成本，目前實(shí)現(xiàn)輕量化的主要方法有以下兩種：一是使用輕質(zhì)材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金、高分子材料、復(fù)合材料等，二是使用輕量化結(jié)構(gòu)，如中空結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)，薄壁結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等[2]。增材制造技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了產(chǎn)品輕量化技術(shù)的廣泛研究與應(yīng)用[3]，由于傳統(tǒng)的機(jī)械零件受限制于設(shè)計制造方式不能做到效能最優(yōu)，現(xiàn)在可以通過拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)合增材制造的方式取得零件更優(yōu)化的材料分布，以較少的材料實(shí)現(xiàn)更佳的性能[4]，多年來，零件結(jié)構(gòu)由于加工制造的約束難以對輕量化做出很大的貢獻(xiàn)，但基于3D 打印加工制造方法而進(jìn)行的自由設(shè)計，可以通過多孔結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)來對零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，是輕量化設(shè)計的一個重要突破[5]，應(yīng)用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對零件進(jìn)行輕量化設(shè)計時可以使零件在質(zhì)量減輕的同時具有比強(qiáng)度高、比剛度高以及斷裂韌性強(qiáng)等優(yōu)良的力學(xué)性能，而且可以降低振動和噪聲[6]，由此可見，增材制造技術(shù)使得輕量化設(shè)計“如虎添翼”。

筆者基于熔融沉積(FDM)增材制造技術(shù)，研究某款摩托車金屬連接件的輕量化設(shè)計，為增材制造廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)提供幫助。

1 輕量化設(shè)計

采用軟件Altair Inspire進(jìn)行摩托車金屬連接件輕量化設(shè)計，該軟件是一款強(qiáng)大的拓補(bǔ)優(yōu)化軟件，幫助設(shè)計師快速確定設(shè)計方案，從而降低成本、減少開發(fā)時間，減輕質(zhì)量等，真正實(shí)現(xiàn)從概念到實(shí)現(xiàn)的整個產(chǎn)品開發(fā)周期中完成仿真驅(qū)動設(shè)計[7–9]。某款摩托車結(jié)構(gòu)部件，如圖1所示。

圖1 摩托車連接件

摩托車連接件原材料為鋁合金，質(zhì)量658.3 g，連接件根據(jù)實(shí)際的受載情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕{(diào)整，主要的載荷來自減震器端和摩托車車架連接端，三組安裝孔載荷來表征安裝孔的固定情況，如圖2所示。摩托車連接件丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)輕量化設(shè)計流程，如圖3所示。

圖2 連接件約束及受載情況

圖3 ABS輕量化設(shè)計流程

1.1 連接件ABS輕量化分析

(1)連接件受力分析。

載荷條件：

位置1：350 N，平行于XZ平面，與Z負(fù)方向夾角45°，方向向量是(–0.707 11，0，–0.707 11)；

位置2：350 N，平行于XZ平面，與Z負(fù)方向夾角45°，方向向量是(–0.707 11，0，–0.707 11)；

位置3：1350 N，平行于XZ平面，與Z正方向夾角45°，方向向量是(0.707 11，0，0.707 11)；

位置4：X負(fù)方向900 N，900 N，平行于XY平面，方向向量是(–1，0，0)，作用點(diǎn)兩孔連接中心位置。

ABS材料的力學(xué)參數(shù)為：拉伸彈性模量2 000 MPa、泊松比0.35、密度1 060 kg/m3、屈服應(yīng)力45 MPa。

對摩托車連接件改為ABS材料進(jìn)行強(qiáng)度分析，設(shè)置分析單元尺寸為2 mm，計算速度/精度選擇“更準(zhǔn)確”，使用“慣性釋放”，對單一載荷工況進(jìn)行分析。

(2) ABS輕量化初始強(qiáng)度分析結(jié)果。

通過Inspire軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)初始強(qiáng)度分析，得到最大等效應(yīng)力值、最大位移和最小安全系數(shù)[10–11]，見表1。由上分析可知，在滿足力學(xué)要求的前提下，摩托車鋁合金連接件改為ABS材料完全能滿足使用性能，更改ABS材料后的連接件質(zhì)量258.4 g，實(shí)現(xiàn)了近60%的減重[12]。

表1 初始強(qiáng)度分析結(jié)果

1.2 拓?fù)鋬?yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)更大程度的減重效果，對ABS連接件進(jìn)行拓補(bǔ)優(yōu)化分析[13–14]。

(1)指定設(shè)計空間。

圖4為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間。指定摩托車ABS連接件主體部分為設(shè)計空間，如圖4中的標(biāo)識部位。零件的安裝孔位及周邊區(qū)域為非設(shè)計空間，如圖4中的其余部分。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間

(2)優(yōu)化形狀控制設(shè)定。

所優(yōu)化的零件為對稱結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計空間設(shè)定為對稱的形狀控制，且選擇XZ平面作為形狀控制平面，如圖5所示。

圖5 形狀控制

(3)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置。

為探索最優(yōu)設(shè)計結(jié)果，分別以最大剛度和最小質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)制定優(yōu)化方案。以最大剛度為優(yōu)化目標(biāo)時，其質(zhì)量目標(biāo)分別設(shè)定為10%，15%，20%和30%；以最小質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)時，其最小安全系數(shù)分別設(shè)定為0.9，1，1.2和1.3。UPBox可打印的最小圓柱尺寸為2 mm，因此為提高后期3D打印的成功率，將厚度約束設(shè)置為5 mm。不同優(yōu)化方案詳細(xì)的優(yōu)化參數(shù)列于表2。

表2 拓?fù)鋬?yōu)化方案

(4)優(yōu)化結(jié)果探究。

幾種不同方案的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果列于表3。

表3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

由表3的分析結(jié)果可以看出，以最小質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)的輕量化設(shè)計效果較好，其中方案6優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕即39.2 g，且最大等效應(yīng)力、最大位移和最小安全系數(shù)均滿足使用要求。基于方案6優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形狀，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

1.3 幾何重構(gòu)

基于方案6的優(yōu)化結(jié)果，采用“手動”的方式完成幾何的逆向重構(gòu)。

拓?fù)鋬?yōu)化后，用包裹、橋接、拆分等工具進(jìn)行手動重構(gòu)，如圖7所示。

圖7 手動幾何重構(gòu)

結(jié)構(gòu)為對稱零件，使用鏡像工具將做好的重構(gòu)鏡像過去。

拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果零件上面只有兩根橫梁，導(dǎo)致模型強(qiáng)度不夠，不符合3D打印工藝要求，故在零件上面增加了一根橫梁，如圖8、圖9所示。

圖8 拓補(bǔ)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

圖9 復(fù)合3D打印工藝結(jié)構(gòu)

對重構(gòu)零件進(jìn)行合并，使用圓角處理重構(gòu)結(jié)果與非設(shè)計空間之間的銜接。

1.4 強(qiáng)度校核

設(shè)置分析單元尺寸為2 mm，計算速度/精度選擇“更準(zhǔn)確”，使用慣性釋放，對單一載荷工況進(jìn)行分析[15]。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核分析的最大等效應(yīng)力值、最大位移和最小安全系數(shù)列于表4。

表4 強(qiáng)度校核分析結(jié)果

通過拓?fù)鋬?yōu)化、幾何重構(gòu)后連接件的質(zhì)量為52.6 g，相對于ABS連接件未拓?fù)鋬?yōu)化的質(zhì)量258.4 g，質(zhì)量減輕了79%。

2 FDM增材制造

筆者試驗基于FDM工藝，以ABS為打印材料，選用北京太爾時代UPBOX 3D打印設(shè)備以及UP Studio3.1為3D模型切片參數(shù)分析軟件[16–17]。以輕量化設(shè)計優(yōu)化分析結(jié)果為前提，分別以原始模型、輕量化設(shè)計輸出模型以及以原始模型為主模型，輕量化設(shè)計輸出為子模型(子模型置于主模型內(nèi)部)的結(jié)合模型展開3D打印制作。

載入輕量優(yōu)化模型.stl文件到UPStudio3.1.2，選擇擺放位置，考慮圓孔平行于打印平臺，避免分層出現(xiàn)階梯效應(yīng)，選擇擺放文字(連接件側(cè)面平行于打印平臺)，原始模型擺放位置如圖10所示。

圖10 原始模型擺放位置

根據(jù)受力分析，設(shè)置填充密度。因整體受力點(diǎn)較多，選擇層厚0.15 mm，動態(tài)層厚0.1 mm。

主模型填充密度設(shè)置為100%，支撐密度設(shè)置為20%，支撐角度參設(shè)置為45°。

打印參數(shù)設(shè)置為：打印最慢速度10 mm/s，短輪廓速度為5 mm/s，第一層速度取30%，第一層送進(jìn)比例為100%，裙邊0；打印噴頭溫度274℃，打印平臺90℃；起始點(diǎn)類型為固定類型，且X，Y軸起始點(diǎn)為0，接頭延伸0.8 mm，且接頭交叉。

按以上打印參數(shù)設(shè)置打印ABS連接件模型，打印完成圖如圖11所示，輕量化設(shè)計模型成品圖如圖12所示。

圖11 打印完成

圖12 輕量化設(shè)計模型成品

3 輕量化校核

摩托車金屬連接件在優(yōu)化前的質(zhì)量為658.3 g，該材料為鋁合金，通過兩次ABS輕量化設(shè)計之后的質(zhì)量為52.6 g，實(shí)現(xiàn)了92%的減重。圖13為摩托車金屬連接件輕量化設(shè)計前結(jié)構(gòu)，圖14為摩托車金屬連接件ABS輕量化設(shè)計后結(jié)構(gòu)。

圖13 摩托車金屬連接件輕量化設(shè)計前結(jié)構(gòu)

圖14 摩托車金屬連接件ABS輕量化設(shè)計后結(jié)構(gòu)

輕量化設(shè)計之后的部件強(qiáng)度校核結(jié)果，最大米塞斯等效應(yīng)力15.67 MPa，最大位移0.29 mm，最小安全系數(shù)2.9。對摩托車金屬連接件進(jìn)行ABS輕量化設(shè)計實(shí)現(xiàn)了92%的減重，摩托車ABS連接件的最大米塞斯等效應(yīng)力15.67 MPa，最小安全系數(shù)2.9，強(qiáng)度不超過材料的屈服應(yīng)力，滿足實(shí)際的強(qiáng)度需求。

4 結(jié)論

針對摩托車金屬連接件輕量化需求，對連接件進(jìn)行了兩次輕量化優(yōu)化設(shè)計，第一次是在滿足連接件使用性能的條件下更改連接件材料，由鋁合金更改為ABS塑料，此次更改實(shí)現(xiàn)60%的減重；第二次也是在滿足連接件使用性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到適合于3D打印的結(jié)構(gòu)，相對第一次優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)79%的減重效果，通過兩次輕量化優(yōu)化設(shè)計后ABS連接件相對于金屬連接件實(shí)現(xiàn)了92%的減重效果，效果顯著，最后通過3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)摩托車連接件FDM快速制造。