基於拓撲優化的增材強度分析和測量
本文由王雯整理，江丙雲校核，黃琳琳排版。
基於拓撲優化的增材件的強度分析和測量
背景
增材製造（Additive manufacturing，AM）通過摒棄傳統製造方法所帶來的設計限制，使具有機械優越的零件得以生產。因此，工程師和設計師必須使用拓撲優化和其他生成工具充分發揮AM可以生產幾何複雜的零件的優勢。設計中通常使用這些工具來優化零件的彈性響應。然而，大多數的增材製造的聚合物和金屬往往涉及大量的塑性變形失效，不能用設計生成工具計算。因此，需使用先進的有限元方法計算模型的非線性行為，分析由拓撲優化工具生成的設計概念產品的極限強度與失效方式。
在使用有限元方法分析之前，工程師們需通過實驗驗證建模假設是否合理。如果增材製造的過程包含新材料，用新方法加工或用新軟體設計零件，則更有必要進行實驗驗證。本文討論了利用非線性有限元分析方法建立拓撲優化後的零件模型，以及非線性有限元分析在校準和驗證模型的材料和零件級測試的作用。
拓撲優化助力零件設計
拓撲優化工具在給定的載荷條件和幾何約束下，應用彈性有限元方法分析零件變形的同時迭代並修改幾何形狀以找到最佳解，從而最有效地利用材料。許多市場上的拓撲優化工具現在大部分已集成到CAD軟體中。
本例優化由三個銷（標有「a」、「b」和「c」）組成的槓桿，使其具有較高的剛度，拓撲優化如上圖所示。我們的優化目標是在垂直載荷下減小銷「c」的撓度，使零件的質量減少65%。銷「a」為載入銷和銷「b」為固定。使用PA12材料及選擇性激光燒制優化後的銷結構。
材料測試與建模
由於增材製造具有方向性，幾乎所有的AM材料都表現出一定的各向異性。是否具有各向異性力學性能取決於材料、加工的細節以及機械性能等。因此，用相同的工藝條件不同方向印刷機械試件，以便測量該零件的材料的力學性能，並為材料模型校準提供數據。
要分析槓桿的極限強度，需要知道材料的應力-應變行為以及是否可以忽略各向異性。經實驗實測，該材料表現為各向同性變形行為，因此建模為各向同性。且不考慮槓桿的卸載響應、隨時間變化的行為或溫度敏感性，在此，可以使用較為簡單的材料模型。
模型驗證
將槓桿的功能性強度定義為垂直作用於銷「c」的最大負載。通過零件設計、功能測試和材料模型的標定，完成零件失效的有限元分析。使用相同的模型列印零件。為了對槓桿進行實驗測試，採用測試架與夾具如下圖，在垂直方向上固定銷「a」和「b」，並將其固定在「c」上。萬向節允許載入銷水平運動。
有了精確的有限元模型之後，可以很容易地分析不同設計的性能。下圖為的優化設計後的力-位移曲線，優化結果更優。
該零件在頂部表面屈曲，此外，該模型可以準確的分析零件的剛度和強度。實測槓桿上的力為435磅。有限元分析槓桿力為428磅。這一結果驗證了SLS PA12零件遞增負荷模型的準確性。
結論
綜上所述，拓撲優化可以優化結構的彈性響應，但這不足以保證性能。工程師必須使用非線性有限元模型來分析優化設計後的極限強度和破壞形式。在非線性有限元分析中，需進行零件級的機械測試以及材料測試的實驗驗證來保證分析的精確度。對於給定的AM材料/工藝組合的精確模型，工程師可以依靠有限元模擬快速評估並修改使用拓撲優化生成的設計概念，進而設計出高性能，高價值的零件。
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