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        基于3D打印的減速箱體拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用

        2022-11-24 07:52:38郭西園衛(wèi)鐘可杜建國趙黎明
        航天制造技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化設(shè)計(jì)

        郭西園 衛(wèi)鐘可 杜建國 趙黎明

        基于3D打印的減速箱體拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用

        郭西園1衛(wèi)鐘可1杜建國1趙黎明2

        (1. 山西航天清華裝備有限責(zé)任公司,長治 046000;2. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京 100076)

        針對航天地面設(shè)備產(chǎn)品小型化、輕量化、集成化發(fā)展趨勢,以某減速箱零件為研究對象,構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化總體方案,通過仿真-拓?fù)?綜合-重建-仿真等技術(shù)路徑,實(shí)現(xiàn)減速箱體的優(yōu)化設(shè)計(jì),經(jīng)過零件打印及載荷試驗(yàn)驗(yàn)證,確認(rèn)基于3D打印的產(chǎn)品拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性。

        減速箱體;拓?fù)鋬?yōu)化;3D打印

        1 引言

        航天地面設(shè)備安全性要求高,常規(guī)的構(gòu)建思路是根據(jù)輸入要求,以體、柱、球、孔、槽等參數(shù)化特征組合成形,經(jīng)仿真驗(yàn)證滿足要求后確定最終零件尺寸,這種設(shè)計(jì)方法簡單、適于加工,但是材料利用率低,難以適應(yīng)受限空間或者限定重量的零件設(shè)計(jì)需求。

        隨著設(shè)備集成化、輕量化的發(fā)展需求[1],對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求,因此有必要開展新的構(gòu)建方法研究,在保證輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上,同時(shí)滿足剛度強(qiáng)度要求。

        本文以減速箱零件為研究對象,通過材料選擇、拓?fù)鋬?yōu)化、仿真分析、3D打印、加工驗(yàn)證及載荷試驗(yàn),開展基于3D打印的拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用驗(yàn)證。

        2 零件分析

        2.1 結(jié)構(gòu)分析

        減速箱為支撐結(jié)構(gòu)部件,交叉孔道,起到結(jié)構(gòu)固定、支撐傳載、承受載荷等作用,減速箱體現(xiàn)用材料為45#鋼,兩側(cè)面承受最大10t的壓力及拉力載荷,經(jīng)力學(xué)仿真分析,最大等效應(yīng)力為149MPa,結(jié)果如圖1所示。

        圖1 減速箱結(jié)構(gòu)示意及額定載荷受力分析結(jié)果

        2.2 方案選擇

        減速箱外形尺寸241mm×148mm×250mm,整體偏小,其內(nèi)部孔道交叉、外部圓柱外形與方體特征相貫,其中外圓、內(nèi)孔等多為名義尺寸,傳動的加工需要采用鍛件毛坯或者大尺寸棒料以減材的方式實(shí)現(xiàn),去除量大、機(jī)加工藝性較差、加工困難。同時(shí)通過受力分析結(jié)果可知,零件應(yīng)力主要分布在少數(shù)的交叉部位,其余結(jié)構(gòu)有很大的材料精簡空間,為零件輕量化設(shè)計(jì)提供可能。因此零件可采用高精度增材成型方式,將復(fù)雜特征尺寸直接生成,對于配合面留1~2mm機(jī)加余量即可,因此減速箱可以采用SLM的3D打印方式制備驗(yàn)證。

        2.3 材料選型

        對于SLM 3D打印來說,常用的粉材有鈦合金、鋁合金、高溫合金、不銹鋼、銅合金等,其中不銹鋼性能與45#鋼接近且應(yīng)用成熟,打印抗拉強(qiáng)度在600~700MPa,滿足載荷強(qiáng)度需要,故零件采用不銹鋼進(jìn)行制備,初選牌號為316L(022Cr17Ni12Mo2)。

        3 優(yōu)化過程

        3.1 拓?fù)鋬?yōu)化

        減速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力簡單,可以面向增材制造的思維對零件模型進(jìn)行重構(gòu),以拓?fù)涞姆绞竭M(jìn)行材料受力的分布優(yōu)化,并形成全新的構(gòu)型設(shè)計(jì),通過SLM 3D打印,最終實(shí)現(xiàn)零件的減重與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化區(qū)域、約束條件、求解參數(shù)等,獲得各種優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

        圖2 減速箱各種拓?fù)浣Y(jié)果

        3.2 正向再設(shè)計(jì)

        零件的拓?fù)浣Y(jié)果雖然滿足產(chǎn)品的工況應(yīng)用,由于特征比較發(fā)散,不宜作為直接打印的模型,考慮工程實(shí)際應(yīng)用場景,一般需要參考拓?fù)浣Y(jié)果進(jìn)行零件的再設(shè)計(jì)。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)果,選取幾種方案對零件進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。

        3.3 仿真驗(yàn)證

        針對各種設(shè)計(jì)方案,以2倍安全系數(shù)為目標(biāo),進(jìn)行2倍載荷下力學(xué)強(qiáng)度仿真驗(yàn)證,結(jié)果見表1。

        表1 各種方案仿真結(jié)果

        綜合對比3種優(yōu)化方案,方案C應(yīng)力變形最小,因此選擇該方案作為本次打印的最終模型。

        針對方案C,繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)載荷下的仿真驗(yàn)證,優(yōu)化后模型在標(biāo)準(zhǔn)載荷下最大應(yīng)力為138MPa,原始模型在標(biāo)準(zhǔn)載荷下的最大應(yīng)力為149MPa,說明通過優(yōu)化不僅降低了零件的體積重量,同時(shí)通過材料再分布降低了零件的最大應(yīng)力值,使零件的受力更均勻,材料利用更均衡,也提高了零件的安全裕度。

        4 打印制造

        4.1 打印結(jié)果

        零件采用SLM方式制造,經(jīng)過模型處理、支撐設(shè)置、打印參數(shù)設(shè)置、增材工藝仿真、打印過程、后處理、檢測、加工等步驟,實(shí)現(xiàn)零件的最終成形,結(jié)果如圖3所示。

        圖3 仿真結(jié)果與實(shí)際加載試驗(yàn)應(yīng)力測點(diǎn)位置

        4.2 性能驗(yàn)證

        對隨爐打印試料加工并進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

        表2 隨爐打印試料拉伸試驗(yàn)結(jié)果

        從試驗(yàn)結(jié)果可知,試料的抗拉強(qiáng)度多在611~656MPa之間,屈服應(yīng)力遠(yuǎn)大于2倍載荷下的仿真最大應(yīng)力,故判定該打印件滿足零件2倍安全系數(shù)要求。

        4.3 加載驗(yàn)證

        零件加工完成后,進(jìn)行加載試驗(yàn),驗(yàn)證受力的合理性。加載按照2倍載荷工況進(jìn)行,結(jié)合仿真結(jié)果及應(yīng)變片布局空間,設(shè)置7個(gè)應(yīng)力測點(diǎn),加載結(jié)果如表3所示。

        表3 2倍工作載荷(20t)加載試驗(yàn)結(jié)果 MPa

        根據(jù)加載結(jié)果可知,7個(gè)測點(diǎn)的數(shù)值中,大部分與仿真結(jié)果符合且偏小,由此判定優(yōu)化后模型仿真最大應(yīng)力極限合理且小于材料屈服強(qiáng)度,故優(yōu)化后產(chǎn)品滿足安全性能使用需求。

        5 結(jié)束語

        本文以減速箱為對象,進(jìn)行了復(fù)雜受力零件的增材制造研究,經(jīng)分析選擇SLM增材制造方式,通過選材及仿真確定材料的可行性,并利用拓?fù)鋬?yōu)化及重新建模,實(shí)現(xiàn)面向增材制造的零件再設(shè)計(jì),優(yōu)化后零件體積減少21%、最大等效應(yīng)力降低10MPa且受力更均勻。經(jīng)過打印、測量、加工、檢測、試驗(yàn)等,證明拓?fù)鋬?yōu)化及3D打印方案的可行性。

        1 董鵬,梁曉康,趙衍華,等. 激光增材制造技術(shù)在航天構(gòu)件整體化輕量化制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 航天制造技術(shù),2018(1):7~11

        Topology Optimization and Application of Gearbox Based on 3D Printing

        Guo Xiyuan1Wei Zhongke1Du Jianguo1Zhao Liming2

        (1. Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046000; 2. Beijing Institute of Space launch Technology, Beijing 100076)

        With the trend of miniaturization, lightweight and integration of aerospace ground equipment, build a overall scheme topology optimization by gearbox part. through the technology path of simulation-topology-rebuild-simulation, get the optimization design. Through the verification of 3D printing and load test, confirm the feasibility of topology optimization design method by 3D printing.

        gearbox;topology optimization;3D printing

        TH137

        C

        郭西園(1987),高級工程師,航空宇航制造工程專業(yè);研究方向:先進(jìn)制造技術(shù)。

        2022-09-21

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