王雷,閆素娜,趙強(qiáng)強(qiáng),洪軍

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;3.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,450047,鄭州)

拓?fù)鋬?yōu)化受到傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制,實(shí)際工程應(yīng)用的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)仍然有一定的局限性,沒有充分發(fā)揮拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)勢。近年來,增材制造技術(shù)得到了快速發(fā)展,與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比,它具有能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、低成本、制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)勢[1],為拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的制備提供了強(qiáng)大的工具,極大地拓寬了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空間。因此,將拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造結(jié)合,研究面向增材制造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法具有廣闊前景[2]。然而,增材制造技術(shù)存在一些工藝約束,制約著優(yōu)化結(jié)構(gòu)的制備,例如懸垂特征,打印時(shí)需要在其下方添加支撐防止坍塌,打印完成后再通過人工去除,不僅浪費(fèi)打印材料和打印時(shí)間,而且去除支撐會(huì)對零件性能和表面質(zhì)量造成損壞[3]。

為了減少使用支撐,一些學(xué)者從工藝參數(shù)方向入手,利用優(yōu)化算法尋找能夠使支撐體積最小的最佳成型方向。其中,Das等提出了一種利用多目標(biāo)優(yōu)化方法,在滿足零件GD&T標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),尋找能夠使支撐體積最小的成型方向[4];Morgan等提出了一種利用優(yōu)化算法尋找使支撐體積最小的成型方向的方法[5];Strano等提出了一種兩步優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方法,第一步尋找結(jié)構(gòu)最優(yōu)打印方向,第二步基于此方向優(yōu)化設(shè)計(jì)多孔支撐結(jié)構(gòu),使支撐體積最小[6]。上述通過優(yōu)化算法尋找最佳成型方向的方法只能使支撐體積達(dá)到最小,不能完全避免使用支撐。

另一些學(xué)者從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向入手,研究面向增材制造的自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。其中,Laery等提出了一種基于熔融沉積成型(FDM)工藝的自支撐條件,通過修改結(jié)構(gòu)構(gòu)型,使結(jié)構(gòu)打印時(shí)無需支撐[7];Li等提出了一種面向激光選區(qū)熔化(SLM)工藝的零件輕量化/無支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,第一步獲得拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu),第二步使用自支撐結(jié)構(gòu)元素修改結(jié)構(gòu)構(gòu)型[8];桂馨提出了一種基于固體各向同性材料懲罰模型(SIMP)法和能量均勻化法的自支撐結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化,在宏觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化階段,利用SIMP法獲取自由分布的宏觀材料空間,從而劃分微結(jié)構(gòu)類型區(qū)域,在微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,進(jìn)行自支撐微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),最終獲得自支撐結(jié)構(gòu)[9]。上述通過修改結(jié)構(gòu)構(gòu)型來獲得自支撐結(jié)構(gòu)的方法會(huì)造成結(jié)構(gòu)體積的增加,而且添加的材料會(huì)影響結(jié)構(gòu)性能。

Garaigordobil等提出了一種使用輪廓檢測算法提取結(jié)構(gòu)邊界,通過顯示不等式約束條件控制邊界法向量的傾斜角,從而獲得自支撐結(jié)構(gòu)的方法[10];Qian提出了一種基于密度梯度信息確定結(jié)構(gòu)邊界,通過顯示約束條件控制邊界傾斜角的方法[11];Zhang等提出了一種利用局部單元密度確定邊界法向量的方法,通過控制法向量傾斜角來控制邊界傾斜角和懸吊特征尺寸[12]。上述通過邊界法向量控制邊界傾斜角的方法需要通過密度梯度信息提取結(jié)構(gòu)邊界法向量信息,增加了優(yōu)化時(shí)間。Zhao等提出了一種通過卷積算子判斷單元的支撐性,通過顯示約束條件控制非自支撐單元數(shù)量,最終獲得自支撐結(jié)構(gòu)的方法[13],此方法需要在傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上確定成型方向,再進(jìn)行自支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);Kuo等提出了一種使用連續(xù)邏輯聚合函數(shù)評估單元支撐狀態(tài)的方法,以顯示約束形式加入到結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法中,優(yōu)化設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu)[14];鄒君等提出了一種使用顯示約束函數(shù)表征結(jié)構(gòu)自支撐約束違反程度,并控制此函數(shù)值的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu)[15]。上述通過顯示約束條件控制非自支撐單元的數(shù)量的方法會(huì)增加優(yōu)化問題求解難度。

Gaynor等提出了一種通過映射單元設(shè)計(jì)變量的方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最小特征尺寸和最大懸垂角度的控制[16],但其扇形支撐區(qū)域包含太多單元,計(jì)算復(fù)雜。Langelaar提出了一種過濾方法,模擬增材制造成型過程逐層過濾單元進(jìn)行自支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),并將結(jié)構(gòu)優(yōu)化、支撐結(jié)構(gòu)布局和成型方向3個(gè)目標(biāo)結(jié)合,尋求最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型方向[17-18];Pellens等提出了4種不同形式的過濾器,以不同順序組合進(jìn)行過濾,將特征尺寸和懸垂角度約束合并到結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[19];Wang等提出了一種基于分層過濾策略的SIMP改進(jìn)方法和一種基于懸垂靈敏度分析的雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化(BESO)改進(jìn)方法以減少優(yōu)化設(shè)計(jì)中懸垂結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生[20];杜義賢等通過建立每個(gè)單元的可打印密度與相應(yīng)支撐區(qū)域內(nèi)單元的可打印密度之間的關(guān)系來過濾掉不符合約束條件的結(jié)構(gòu),優(yōu)化設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu)[21];Zou等提出了一種基于max/min函數(shù)識別非自支撐單元,通過不等式約束控制非自支撐單元數(shù)量,得到自支撐結(jié)構(gòu)的方法[22]。上述過濾方法中采用近似max/min函數(shù)通過判斷上下相鄰單元的密度關(guān)系,確定單元的自支撐性,此判斷條件不符合實(shí)際逐層堆積成型原理,會(huì)出現(xiàn)自下向上密度逐漸增加的現(xiàn)象。

Luo等提出了一種自支撐封閉空腔結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法,其采用非線性虛擬溫度法(N-VTM)識別封閉空腔,通過多重過濾識別懸垂面,基于對數(shù)函數(shù)的約束控制封閉空腔的最小懸垂角[23];Guo等提出了一種基于移動(dòng)可變形組件的自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,通過控制組件的傾斜角度保證組件自支撐,最終獲得自支撐結(jié)構(gòu)[24];Emiel等將設(shè)計(jì)域分層,以設(shè)計(jì)域內(nèi)每個(gè)點(diǎn)材料到達(dá)時(shí)間為判斷依據(jù)判斷支撐性,優(yōu)化設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu)[25];王亞光等提出了一種基于參數(shù)化水平集法的懸垂約束處理方法[26];韓永生等提出了一種基于BESO法的無需支撐(自支撐)拓?fù)鋬?yōu)化方法[27]。

本文模擬增材制造逐層堆積材料的成型過程,提出一種基于Heaviside函數(shù)的自支撐單元過濾法則,并基于此構(gòu)建面向增材制造的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法,旨在解決傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)在增材制造過程中需要使用支撐的問題。最終,通過數(shù)值案例驗(yàn)證本文所提方法的有效性,結(jié)果表明本文所提方法能夠在4個(gè)方向上對二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)打印過程自支撐,并且在保證結(jié)構(gòu)剛度的前提下,節(jié)省打印材料和打印時(shí)間。

圖1 增材制造懸垂特征模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of overhang features in additive manufacturing

1 自支撐單元過濾法則

1.1 增材制造懸垂特征

圖1給出了增材制造懸垂特征模型示意圖,懸垂特征模型主要包括傾斜角α小于自支撐臨界角的懸垂面、懸吊面和懸吊線。

為了避免使用支撐,對于懸吊面和懸吊線特征,設(shè)計(jì)階段可以在其下方添加特征連接至打印平臺;對于懸垂面特征,Thomas研究了SLM工藝自支撐臨界角為45°[28],則可以在設(shè)計(jì)階段使傾斜角α大于45°,從而無需添加支撐。

1.2 自支撐單元過濾法則

圖2給出了懸垂面特征模型及其有限元模型,傾斜角為45°,采用長寬比為1∶1的四節(jié)點(diǎn)矩形單元離散此模型,構(gòu)建如圖2b所示懸垂面特征有限元模型。

(a)懸垂面特征模型 (b)懸垂面特征有限元模型圖2 懸垂面特征模型及其有限元模型 Fig.2 Overhang model and its finite element model in additive manufacturing

取單個(gè)單元作為研究對象,圖3給出了自支撐單元過濾法則示意圖,成型方向?yàn)樨Q直向上,目標(biāo)單元xij與其支撐單元集3個(gè)單元形成最小傾斜角為45°的傾斜面,其中i和j分別表示單元水平和垂直方向的位置。

圖3 自支撐單元過濾法則示意圖Fig.3 Schematic diagram of filtering rule of self-supporting element

目標(biāo)單元是否自支撐與支撐單元集中3個(gè)單元密度有關(guān),若支撐單元集中至少有一個(gè)單元密度大于0,則目標(biāo)單元為自支撐單元。基于上述條件可得自支撐單元判斷法則為:若支撐單元集中單元平均密度大于0,則目標(biāo)單元為自支撐單元,反之目標(biāo)單元為非自支撐單元。對于設(shè)計(jì)域全局單元,將逐層判斷是否自支撐。

1.3 自支撐過濾特殊單元

設(shè)計(jì)域中存在一些特殊單元在優(yōu)化算法中要特殊處理,包括邊界單元和底層單元,自支撐過濾特殊單元如圖4所示。

(a)邊界單元 (b)底層單元圖4 自支撐過濾特殊單元Fig.4 Special element of self-supporting filtering

邊界單元是指處于設(shè)計(jì)域兩側(cè)邊界的單元,如圖4a所示,它的特殊性在于支撐單元集中只包含2個(gè)單元。底層單元是指處于設(shè)計(jì)域底部的單元,如圖4b所示,與成型方向有關(guān),它的特殊性在于直接與打印平臺連接,無論如何都是自支撐單元。

2 自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型

2.1 自支撐單元過濾

采用自支撐單元過濾的方法判斷單元是否自支撐,保留自支撐單元,刪除非自支撐單元,自支撐單元過濾表達(dá)式如下

(1)

(2)

其中β為近似參數(shù),T為閾值,Me為單元e支撐單元集中的單元平均自支撐密度,表達(dá)式如下

(3)

圖5 Heaviside閾值函數(shù)曲線Fig.5 Curve of Heaviside threshold function

2.2 單元密度過濾

棋盤格式解是指結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)實(shí)體單元與空白單元交替的現(xiàn)象,形成一種棋盤狀的構(gòu)型,棋盤格式解如圖6所示,此結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中無法應(yīng)用。

圖6 棋盤格式解Fig.6 Checkerboard solution

為了消除棋盤格式解現(xiàn)象,本文采用單元密度過濾法,其核心思想是利用過濾后的單元密度替代單元實(shí)際密度[29],單元物理密度表達(dá)式如下

(4)

Ne={i|‖Xi-Xe‖≤rmin}

(5)

其中Xi為單元i的坐標(biāo),Xe為單元e的坐標(biāo),rmin為過濾半徑。

Hei表達(dá)式如下

Hei=max(0,rmin-Δ(e,i))

(6)

式中:Δ(e,i)為單元i和e中心距。密度過濾區(qū)域如圖7所示,是以目標(biāo)單元e為圓心、過濾半徑rmin為半徑形成的圓形區(qū)域。

圖7 密度過濾區(qū)域Fig.7 Density filtering area

2.3 自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型

基于SIMP變密度法,以最小化柔度(最大化剛度)為目標(biāo)函數(shù),以結(jié)構(gòu)體積分?jǐn)?shù)為約束條件,構(gòu)建自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型,數(shù)學(xué)模型如下

(7)

式中:c(x)為結(jié)構(gòu)柔度;v為約束條件;x為單元設(shè)計(jì)變量;V(x)為結(jié)構(gòu)體積;V0為設(shè)計(jì)域總體積;f為結(jié)構(gòu)體積分?jǐn)?shù)。

3 基于MMA的拓?fù)鋬?yōu)化模型求解

本文所提的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型采用MMA法求解[30],更新單元設(shè)計(jì)變量x。

3.1 有限元分析

采用長寬比為1∶1的四節(jié)點(diǎn)矩形單元離散設(shè)計(jì)域,初始單元?jiǎng)偠染仃嚍閗0,基于SIMP模型計(jì)算單元e的單元?jiǎng)偠染仃噆e,表達(dá)式如下

(8)

SIMP模型單元密度與彈性模量之間的關(guān)系可表示為

(9)

懲罰因子P是為了懲罰灰色單元密度,使其趨向0或1[31]。圖8給出了SIMP模型指數(shù)函數(shù)曲線,不同曲線代表不同P值,P值越大函數(shù)值越趨近于0或1。

圖8 SIMP模型指數(shù)函數(shù)曲線Fig.8 Exponential function curve of SIMP model

通過組裝單元?jiǎng)偠染仃嚽蟮谜w剛度矩陣K,建立剛度方程求解整體位移矩陣U,剛度方程表達(dá)式如下

KU=F

(10)

式中:K為整體剛度矩陣;U為整體位移矩陣;F為已知載荷矩陣。

最終,通過U和K計(jì)算目標(biāo)函數(shù),結(jié)構(gòu)柔度表達(dá)式如下

(11)

式中:n為離散化設(shè)計(jì)域單元的數(shù)量;ue為單元位移矩陣。

3.2 靈敏度分析

MMA求解需要分析目標(biāo)函數(shù)和約束條件對設(shè)計(jì)變量的靈敏度,靈敏度信息決定設(shè)計(jì)變量的更新。其中,目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計(jì)變量的靈敏度表達(dá)式如下

(12)

式中:c為目標(biāo)函數(shù)。

約束條件對設(shè)計(jì)變量的靈敏度表達(dá)式如下

(13)

式中:xf為單元自支撐密度。

3.3 自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化流程

本文首先采用自支撐單元過濾,從更新的單元中過濾得到自支撐單元,保證設(shè)計(jì)域內(nèi)只留下自支撐單元,再采用密度過濾消除棋盤格式現(xiàn)象,并且可以通過密度過濾避免結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)細(xì)小特征。然而,對于相反的過濾順序,通過試驗(yàn)可知同樣可以得到最優(yōu)的自支撐結(jié)構(gòu),但是優(yōu)化結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)細(xì)小特征,優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的細(xì)小特征如圖9所示。

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的細(xì)小特征Fig.9 Small features in optimal structures

圖10給出了自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化流程圖,具體步驟如下:

(1)前處理,定義結(jié)構(gòu)幾何模型,添加邊界條件,施加載荷,設(shè)置優(yōu)化參數(shù);

(2)采用四節(jié)點(diǎn)矩形單元離散設(shè)計(jì)域;

(3)初始化單元設(shè)計(jì)變量x;

(4)自支撐單元過濾,單元密度由單元設(shè)計(jì)變量x轉(zhuǎn)換到單元自支撐密度xf;

(5)密度過濾,單元密度由單元自支撐密度xf轉(zhuǎn)換到單元物理密度xp;

(6)有限元分析,基于單元物理密度xp和初始單元?jiǎng)偠染仃噆0計(jì)算整體剛度矩陣K,求解整體位移矩陣U,計(jì)算目標(biāo)函數(shù)和約束條件;

(7)靈敏度分析;

(8)采用MMA法求解優(yōu)化模型,更新單元設(shè)計(jì)變量x;

(9)根據(jù)收斂條件判斷結(jié)果,如果不收斂則從步驟4繼續(xù)循環(huán),直至收斂;如果收斂則輸出優(yōu)化結(jié)果,并結(jié)束計(jì)算。

圖10 自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化流程圖 Fig.10 Flow chart of self-supporting structures topology optimization

4 自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

應(yīng)用本文所提的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法解決MBB梁拓?fù)鋬?yōu)化問題。圖11給出了MBB梁對稱設(shè)計(jì)域,長寬比為3∶1,設(shè)計(jì)域左側(cè)添加滾動(dòng)支撐,右下角添加滾動(dòng)支撐,左上角施加沿-Y方向的單位集中載荷F。將設(shè)計(jì)域離散為180×60個(gè)單元,并初始化單元設(shè)計(jì)變量x為0.5。

圖11 MBB梁對稱設(shè)計(jì)域Fig.11 Symmetric design domain of MBB beam

4.1 優(yōu)化參數(shù)確定

在本文所提出的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法中,懲罰因子P決定著對灰色單元密度的懲罰程度,P值越大,單元密度越趨近0或1,但是會(huì)導(dǎo)致函數(shù)非線性程度增加;閾值T決定單元自支撐條件,T值越大,要求支撐集單元密度越大,單元自支撐條件越嚴(yán)苛。因此為了確定一組合適的P值和T值,本文以Y方向的MBB梁優(yōu)化設(shè)計(jì)為例,選擇不同的參數(shù)P和T進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果對比,最終根據(jù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的迭代步數(shù)和性能確定優(yōu)化參數(shù)。

不同參數(shù)P和T優(yōu)化結(jié)果對比如表1所示,可知懲罰因子P和閾值T對自支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化有重要的影響。T對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響從T為0.1～0.4可知,迭代步數(shù)增大,結(jié)構(gòu)柔度增大,特別在T為0.4時(shí)出現(xiàn)優(yōu)化失敗的結(jié)果,所以T越大,會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能下降,迭代收斂難度增加,甚至出現(xiàn)優(yōu)化失敗;P對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響從P為2～5可知,結(jié)構(gòu)中灰色單元明顯減少,結(jié)構(gòu)邊界逐漸清晰,但是迭代步數(shù)增大,所以P越大,結(jié)果中灰色單元越少,但是會(huì)導(dǎo)致迭代收斂難度增加。

綜合分析,本文旨在保證結(jié)構(gòu)中不存在大量灰色單元的前提下,使迭代步數(shù)減小,結(jié)構(gòu)性能增加,得到最優(yōu)的自支撐結(jié)構(gòu)。從表1可知,在參數(shù)P為3、T為0.1的組合下,得到的結(jié)構(gòu)柔度最小,迭代步數(shù)最小,并且沒有大量灰色單元存在。所以本文選擇P為3、T為0.1作為算例的優(yōu)化參數(shù)組合,最終MBB梁拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)取值如表2所示。

本數(shù)值案例由Matlab R2020b(64位)、Windows 10、Intel(R)Core(TM)i5-8400cpu@2.8GHz CPU、8GB RAM實(shí)現(xiàn)。

4.2 MBB梁拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

分別應(yīng)用傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法和本文所提的面向增材制造的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法優(yōu)化設(shè)計(jì)MBB梁。圖12給出了傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化MBB梁,迭代步數(shù)為565,柔度為194.8。

利用Autodesk Inventor Professional 2020提取優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù),建立MBB梁三維模型,厚度設(shè)置為5 mm。利用Autodesk公司開發(fā)的3D打印輔助分析軟件Autodesk Netfabb Ultimate 2020沿Y、-Y、X、-X4個(gè)方向進(jìn)行成型仿真分析,成型仿真分析參數(shù)如表3所示。

表1 不同參數(shù)P和T優(yōu)化結(jié)果對比

表2 MBB梁拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)

圖12 傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化MBB梁Fig.12 MBB beams with traditional topology optimization

表3 成型仿真分析參數(shù)

圖13給出了傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化MBB梁分析結(jié)果,藍(lán)色部分為支撐。表4給出了傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化MBB梁成型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

表4 傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化MBB梁成型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

(a)Y方向分析結(jié)果

(b)-Y方向分析結(jié)果

(c)X方向分析結(jié)果 (d)-X方向分析結(jié)果圖13 傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化MBB梁分析結(jié)果Fig.13 Analysis results of MBB beam with traditional topology optimization

圖14～17給出了Y、-Y、X、-X4個(gè)方向優(yōu)化自支撐MBB梁及分析結(jié)果。圖14a給出了最終的優(yōu)化結(jié)果,迭代步數(shù)為616,柔度為233.6;圖14b～17b給出了分析結(jié)果,無需支撐結(jié)構(gòu)。

(a)Y方向優(yōu)化結(jié)果

(b)Y方向分析結(jié)果圖14 Y方向優(yōu)化自支撐MBB梁及分析結(jié)果 Fig.14 Optimized self-supporting MBB beam in Y direction and analysis results

圖15a給出了最終的優(yōu)化結(jié)果,此結(jié)果出現(xiàn)振蕩。

(a)-Y方向優(yōu)化結(jié)果

(b)-Y方向分析結(jié)果圖15 -Y方向優(yōu)化自支撐MBB梁及分析結(jié)果 Fig.15 Optimized self-supporting MBB beam in -Y direction and analysis results

圖16a給出了最終的優(yōu)化結(jié)果,迭代步數(shù)為1 297,柔度為194.4。

(a)X方向優(yōu)化結(jié)果 (b)X方向分析結(jié)果圖16 X方向優(yōu)化自支撐MBB梁及分析結(jié)果 Fig.16 Optimized self-supporting MBB beam in X direction and analysis results

圖17a給出了最終的優(yōu)化結(jié)果,迭代步數(shù)為1 487,柔度為194.5。表5給出了自支撐MBB梁成型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

(a)-X方向優(yōu)化結(jié)果 (b)-X方向分析結(jié)果圖17 -X方向優(yōu)化自支撐MBB梁及分析結(jié)果 Fig.17 Optimized self-supporting MBB beam in -X direction and analysis results

表5 自支撐MBB梁成型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.3 對比分析

Langelaar模擬增材制造逐層堆積的成型過程,采用過濾方法優(yōu)化設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu)的方法[18]受到了廣泛的認(rèn)可,將本文所提方法與Langelaar方法和傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行對比分析,總結(jié)本文所提方法的優(yōu)點(diǎn)和不足。

Langelaar方法在文章中從北、東、南、西4個(gè)方向優(yōu)化設(shè)計(jì)同樣的MBB梁,將設(shè)計(jì)域離散為180×60個(gè)單元。表6匯總了應(yīng)用3種方法的優(yōu)化結(jié)果,cMBB為MBB梁柔度,cref為傳統(tǒng)MBB梁柔度。對比可得基于本文所提方法得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu):

(1)在結(jié)構(gòu)柔度方面,與傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法相比,Y方向增大了19.9%,X方向減小了0.2%,-X方向減小了0.2%,與Langelaar優(yōu)化方法相比,Y方向增大了13.1%,X方向減小了0.2%,-X方向減小了1.1%;

(2)在所需材料方面,與傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法相比,Y方向體積減小了20.6%,-Y方向體積減小了18.0%,X方向體積減小了18.1%,-X方向體積減小了20.0%;

(3)在打印時(shí)間方面,與傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法相比,Y方向減小了16.6%,-Y方向減小了14.5%,X方向減小了10.5%,-X方向減小了11.5%;

(4)在迭代步數(shù)方面,與傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法相比,Y方向增大了9%,X方向增大了129.6%,-X方向增大了163.2%。

通過對比分析,可知本文所提方法能夠沿4個(gè)方向?qū)BB梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),其中在X和-X兩個(gè)方向上的結(jié)構(gòu)柔度均優(yōu)于傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法和Langelaar提出的拓?fù)鋬?yōu)化方法,雖然在某些方向上優(yōu)化效率有所損失,但是能夠在保證結(jié)構(gòu)剛度的前提下,無需使用支撐,減少打印材料和打印時(shí)間的浪費(fèi)。

本文針對45°臨界角,基于SIMP變密度法,構(gòu)建了面向增材制造的平面自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法。基于本文所提方法未來可向:①采用可變長寬比四節(jié)點(diǎn)矩形單元構(gòu)建臨界角可變的自支撐單元過濾方法,研究適應(yīng)于臨界角可變的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法;②采用三維自支撐單元過濾方法判斷單元自支撐性,此時(shí)目標(biāo)單元為1個(gè),支撐單元為5個(gè),將本文所提方法拓展至三維自支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);③采用基于Heaviside函數(shù)的自支撐單元過濾方法,基于變密度法多材料插值模型或非均質(zhì)材料插值模型,構(gòu)建面向增材制造的多材料或非均質(zhì)材料自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法。

表6 MBB梁優(yōu)化結(jié)果對比

5 結(jié) 論

本文模擬增材制造逐層堆積材料的成型過程,提出了一種基于Heaviside函數(shù)的自支撐單元過濾法則?；赟IMP變密度法構(gòu)建了面向增材制造的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法,并將本文所提方法應(yīng)用到MBB梁拓?fù)鋬?yōu)化中。通過數(shù)值案例可得出如下結(jié)論:

(1)本文所提出的一種基于Heaviside函數(shù)的自支撐過濾法則能夠有效判斷單元自支撐性,并逐層保留自支撐單元,刪除非自支撐單元;

(2)本文所提的面向增材制造的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法能夠有效解決傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)在增材制造過程中使用支撐的問題,并且在不損失結(jié)構(gòu)剛度的前提下,節(jié)省打印材料和打印時(shí)間;

(3)本文所提的面向增材制造的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法能夠在4個(gè)方向上對平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并且可得成型方向?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)型、剛度和優(yōu)化效率有很大的影響,可依據(jù)結(jié)構(gòu)使用要求選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。