CN111177861A - 适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法 - Google Patents

适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，通过对常平环产品结构特点、边界条件及受力工况进行分析，建立适用于常平环拓扑优化的初始模型并确定优化设计区域，结合静力学优化分析，得出常平环最优传力路径和材料分布初始模型，提出兼顾常平环最优拓扑结构与良好成形质量平衡条件下的设计准则，获得全新的基于增材制造的轻量化设计模型结构。

Description

适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法
技术领域
本发明属于金属制造领域，具体涉及一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，特别是采用激光增材制造技术成形的框架类承力构件的轻量化设计方法。
背景技术
常平环作为液体火箭发动机燃气摇摆装置上的主要承力件，作用是能够传递推力矢量、实现摇摆功能，已参与多个型号长征系列火箭的飞行发射任务得到成功应用。新一代液体火箭发动机结构设计呈大尺寸、整体化、轻量化的特征，为满足火箭发动机减重的迫切需要，对常平环等框架类零件提出结构优化与减重改进的要求，通过减小结构质量，采用合理布局避免发动机总高增加和质量增大，减小状态变化对整机的影响。
如图3所示，目前常平环零件为框架类整体腹板结构，每条腹板上分布有轴承孔及大小不等的减重孔，上下翼板与腹板形成“[”型面，该型面结构形心位于靠近腹板的一侧，而常平环承受的集中力作用线在“[”型结构中间，集中力会对截面形心产生扭矩。当前对常平环进行截面设计及结构优化改进时，受现有制造工艺限制，改进方案仍基于“经验式”思维而设计，多使用减重孔、加强筋、焊接补块等结构来减轻重量、增强承扭和承弯能力，再通过锻造、焊接、机械加工等手段制造而成，加工工序多、生产周期长，且可能存在焊接变形影响产品合格率和可靠性。
增材制造技术作为先进制造技术的一种，采用离散/堆积原理将零件的三维制造过程变为二维制造，不受零件结构复杂程度限制，具有实现“功能优先设计”的特点，可与轻量化技术完美融合。建立一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法即可体现增材制造在快速、短流程整体化制造上的优势，又可通过优化设计实现性能和减重的双重提升。
发明内容
本发明的技术解决问题是：基于增材制造成形技术特点，提供一种常平环结构轻量化设计方法，实现常平环结构最优传力路径和材料分布下的轻量化模型设计，为大尺寸框架类常平环结构与减重优化提供一种全新方法。
本发明所采用的技术方案是：一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，包括步骤如下：
(1)建立常平环拓扑优化初始模型，并选定优化区域；
(2)设定常平环材料物性参数、建立边界约束条件，在常平环拓扑优化初始模型上施加受力工况；
(3)对常平环初始模型进行网格划分；
(4)设置优化目标及增材制造工艺约束，对常平环结构进行静力学优化分析；
(5)分析常平环拓扑优化初始模型结构合理性，根据增材制造成形约束及成形方式重构常平环CAD模型；
(6)在腹板位置添加Lattice结构，获得具有点阵结构的常平环优化模型；
(7)建立常平环CAD最终模型并对其进行仿真分析，验证是否符合设计要求。
所述步骤(1)中，选定优化区域时，保证常平环拓扑优化初始模型整体轮廓尺寸与现有模型相同，四周轴承孔及沿径向20mm～25mm以内作为非设计优化区域，其余结构作为优化区域。
所述步骤(2)中，将常平环用高强不锈钢材料的物性参数输入至轻量化设计软件中，物性参数包括杨氏模量、泊松比、密度、屈服应力；选取常平环零位状态进行结构优化，以常平环拓扑优化初始模型X或Y方向两个轴承孔作为固定约束端，另外两个对称的轴承孔作为受力端，施加相应载荷，载荷为软管分离力与发动机地面推力之差。
所述步骤(3)中，选用10个点的4面体单元进行静力学优化分析，分别设置划分单元网格尺寸为常平环壁厚尺寸的1/3～1/6，在步骤(2)中设定的边界条件及载荷工况下进行仿真分析，对比不同网格单元尺寸划分下应力、位移结果，判断网格收敛性。
所述步骤(4)中，对优化区域设置增材制造可成形悬垂面角度及中心对称约束，成形悬垂面角度设置为35°～45°，分别以减重10％～50％为优化目标进行结构静力学仿真分析，对比所得拓扑优化结构完整性和应力、位移计算数据，选取具有完好传力路径、应力变形最小的拓扑结构。
所述步骤(5)中，对确定的常平环拓扑优化初始模型结构进行分析，利用CAD实体建模、PolyNURBS多边形建模、NURBS曲面建模方式包覆拟合形成常平环三维模型，优化杆粗细、过渡圆角尺寸，完成后对重构常平环模型增材制造成形摆放位置、悬垂区域大小、成形难度进行分析，对过渡部位倒角尺寸进行优化。
所述步骤(6)中，对常平环重新设计优化减重区域，划分出每侧腹板内Von Mises应力值小于500MPa的连续区域，提取该区域添加Lattice结构，所用Lattice结构由菱形十二面体胞元组成，八条延伸筋条沿体对角线向外伸出，每根主体筋条与投影面夹角为41°～45°，单个胞元结构杆长3～7mm，杆直径为φ11.0mm～φ12.5mm，Lattice结构按指定方向排列，形成三维空间阵列；将形成的三维空间阵列与常平环模型进行布尔合并，获得具有点阵结构的常平环模型。
所述步骤(7)中，将常平环CAD最终模型步骤(2)中设定的边界条件及载荷工况进行静力学分析，计算设计有轻量化结构的应力变形数据，检查是否满足设计要求。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，通过对常平环产品结构特点和及受力工况进行分析，建立了适用于常平环拓扑优化的初始模型，确定优化设计区域，结合静力学优化，得出常平环最优传力路径和材料分布初始模型，提出兼顾常平环最优拓扑结构与良好成形质量平衡条件下的设计准则，获得全新的基于增材制造的轻量化设计模型结构。
(2)本发明获得的常平环增材制造轻量化设计结构，相比原方案，重量减小15％，Von Mises应力降低10％，变形位移小于1mm，且该结构适用于增材制造一体化成形，无需机械加工。
附图说明
图1是本发明实施例提供的常平环初始设计模型示意图；
图2是本发明实施例提供的点阵Lattice结构示意图。
图3为常平环的结构图。
具体实施方式
一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，包括通过对常平环产品结构特点、边界条件及受力工况进行分析，建立适用于常平环拓扑优化的初始模型并确定优化设计区域，结合静力学优化，得出常平环最优传力路径和材料分布初始模型，提出兼顾常平环最优拓扑结构与良好成形质量平衡条件下的设计准则，获得全新的基于增材制造的轻量化设计模型结构。具体步骤如下：
(1)常平环拓扑优化初始模型及优化区域设计；
(2)常平环材料物性参数、边界约束条件建立及施加受力工况；
(3)对常平环初始模型进行网格划分；
(4)设置优化目标及增材制造工艺约束，对常平环结构进行静力学优化分析；
(5)分析初始拓扑优化模型结构合理性，根据增材制造成形约束及成形方式重构常平环CAD模型；
(6)在腹板位置添加Lattice结构，完成常平环优化模型再设计；
(7)对常平环CAD最终模型进行仿真分析再验证。
其中，所述步骤(1)中，常平环现有模型结构分布有大量减重孔和加强筋，传力路径已定型，不具备继续优化的空间，故需重新建立原始模型。常平环中间部分通有燃气管道，四周轴承孔需与机加、推力室装配对接，设置整体轮廓尺寸与现有模型相同，四周轴承孔及沿径向20mm～25mm以内作为非设计优化区域，其余结构作为优化空间。
所述步骤(2)中，将常平环用高强不锈钢材料杨氏模量、泊松比、密度、屈服应力等物性参数输入至轻量化设计软件中。选取常平环零位状态进行结构优化，以常平环模型X或Y方向两个轴承孔作为固定约束端，另外两个对称的轴承孔作为受力端，施加相应载荷，载荷为软管分离力与发动机地面推力之差。
所述步骤(3)中，选用10个点的4面体单元进行静力学优化分析，分别设置划分单元网格尺寸为壁厚尺寸的1/3～1/6，在所述步骤(2)中边界条件及载荷工况下进行仿真分析，对比不同网格单元尺寸划分下应力、位移结果，判断网格收敛性。
所述步骤(4)中，对优化区域设置增材制造可成形悬垂面角度及中心对称约束，成形悬垂面角度设置为35°～45°，分别以减重10％～50％为优化目标进行结构静力学仿真分析，对比所得拓扑优化结构完整性和应力、位移计算数据，选取具有完好传力路径、应力变形较小的拓扑结构。
所述步骤(5)中，对确定的拓扑优化初始模型结构进行分析，利用CAD实体建模、PolyNURBS多边形建模、NURBS曲面建模方式包覆拟合成表面光滑利于加工的高质量三维模型，优化杆粗细、过渡圆角等尺寸，完成后对重构常平环模型增材制造成形摆放位置、悬垂区域大小、成形难度进行分析，对过渡部位倒角等尺寸进行优化。
所述步骤(6)中，对常平环重新设计优化减重区域，划分出每侧腹板内Von Mises应力值小于500MPa的连续区域，提取该区域添加Lattice结构，所用Lattice结构由菱形十二面体胞元组成，八条延伸筋条沿体对角线向外伸出，每根主体筋条与投影面夹角为41°～45°，单个胞元结构杆长3～7mm，杆直径为φ1.0mm～φ2.5mm，Lattice结构按指定方向排列，形成一定密度的、规则的三维空间阵列；将形成的三维空间阵列与常平环模型进行布尔合并，获得具有点阵结构的常平环模型。
所述步骤(7)中，将常平环最终模型按步骤(2)中设定的边界条件及载荷工况进行静力学分析，计算设计轻量化结构的应力变形数据，检查是否满足要求。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
对于如图1所示的常平环机械加工原始模型进行轻量化设计，常平环中间部分通有燃气管道，四周轴承孔需与机加、推力室装配对接，设置整体轮廓尺寸为482mm×482mm×150mm的框架结构，四周轴承孔保持尺寸不变，沿轴承孔径向20mm以内作为非设计优化区域，其余结构作为优化空间。
将S-04高强不锈钢材料杨氏模量、泊松比、密度、屈服应力等物性参数输入至轻量化设计软件Optistruct中。选取常平环零位状态进行结构优化，以常平环模型X方向两个轴承孔作为固定约束端，Y方向另外两个对称的轴承孔作为受力端，施加相应载荷，载荷为软管分离力与发动机地面推力之差。选用10个点的4面体单元进行网格划分，设置划分单元网格尺寸为6mm，对优化区域设置增材制造可成形悬垂面角度及中心对称约束，成形悬垂面角度设置为40°，分别以减重10％、20％、40％为优化目标进行结构静力学仿真分析，对比所得拓扑优化结构完整性和应力、位移计算数据，选取具有完好传力路径、应力变形较小的拓扑结构。对确定的拓扑优化初始模型结构进行分析，利用CAD实体建模、PolyNURBS多边形建模、NURBS曲面建模方式包覆拟合成表面光滑利于加工的高质量三维模型，优化等尺寸，完成后对重构常平环模型增材制造成形摆放位置、悬垂区域大小、成形难度进行分析，对过渡部位倒角等尺寸进行优化。对常平环重新设计优化减重区域，划分出每侧腹板内Von Mises应力值小于500MPa的连续区域，提取该区域添加Lattice结构，所用Lattice结构由菱形十二面体胞元组成，八条延伸筋条沿体对角线向外伸出，每根主体筋条与投影面夹角为41°，单个胞元结构杆长3～7mm，杆直径为1.5mm，Lattice结构按指定方向排列方向，形成一定密度的、规则的三维空间阵列，如图2；将形成的三维空间阵列与常平环模型进行布尔合并，获得具有点阵结构的常平环模型。将常平环最终模型按上述边界条件及载荷工况进行静力学分析，计算设计轻量化结构的应力变形数据，检查是否满足要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)建立常平环拓扑优化初始模型，并选定优化区域；
(2)设定常平环材料物性参数、建立边界约束条件，在常平环拓扑优化初始模型上施加受力工况；
(3)对常平环初始模型进行网格划分；
(4)设置优化目标及增材制造工艺约束，对常平环结构进行静力学优化分析；
(5)分析常平环拓扑优化初始模型结构合理性，根据增材制造成形约束及成形方式重构常平环CAD模型；
(6)在腹板位置添加Lattice结构，获得具有点阵结构的常平环优化模型；
(7)建立常平环CAD最终模型并对其进行仿真分析，验证是否符合设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，选定优化区域时，保证常平环拓扑优化初始模型整体轮廓尺寸与现有模型相同，四周轴承孔及沿径向20mm～25mm以内作为非设计优化区域，其余结构作为优化区域。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，将常平环用高强不锈钢材料的物性参数输入至轻量化设计软件中，物性参数包括杨氏模量、泊松比、密度、屈服应力；选取常平环零位状态进行结构优化，以常平环拓扑优化初始模型X或Y方向两个轴承孔作为固定约束端，另外两个对称的轴承孔作为受力端，施加相应载荷，载荷为软管分离力与发动机地面推力之差。
4.根据权利要求3所述的一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，选用10个点的4面体单元进行静力学优化分析，分别设置划分单元网格尺寸为常平环壁厚尺寸的1/3～1/6，在步骤(2)中设定的边界条件及载荷工况下进行仿真分析，对比不同网格单元尺寸划分下应力、位移结果，判断网格收敛性。
5.根据权利要求4所述的一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，对优化区域设置增材制造可成形悬垂面角度及中心对称约束，成形悬垂面角度设置为35°～45°，分别以减重10％～50％为优化目标进行结构静力学仿真分析，对比所得拓扑优化结构完整性和应力、位移计算数据，选取具有完好传力路径、应力变形最小的拓扑结构。
6.根据权利要求5所述的一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中，对确定的常平环拓扑优化初始模型结构进行分析，利用CAD实体建模、PolyNURBS多边形建模、NURBS曲面建模方式包覆拟合形成常平环三维模型，优化杆粗细、过渡圆角尺寸，完成后对重构常平环模型增材制造成形摆放位置、悬垂区域大小、成形难度进行分析，对过渡部位倒角尺寸进行优化。
7.根据权利要求6所述的一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中，对常平环重新设计优化减重区域，划分出每侧腹板内VonMises应力值小于500MPa的连续区域，提取该区域添加Lattice结构，所用Lattice结构由菱形十二面体胞元组成，八条延伸筋条沿体对角线向外伸出，每根主体筋条与投影面夹角为41°～45°，单个胞元结构杆长3～7mm，杆直径为φ11.0mm～φ12.5mm，Lattice结构按指定方向排列，形成三维空间阵列；将形成的三维空间阵列与常平环模型进行布尔合并，获得具有点阵结构的常平环模型。
8.根据权利要求7所述的一种适用于增材制造成形技术的常平环结构轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤(7)中，将常平环CAD最终模型步骤(2)中设定的边界条件及载荷工况进行静力学分析，计算设计有轻量化结构的应力变形数据，检查是否满足设计要求。
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