控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法，涉及金属增材制造领域，包括以下步骤：定义设计域、设置材料物性参数；初始化设计变量；密度过滤、投影；计算各单元固有应变；增材制造过程热变形仿真；计算各设计响应；灵敏度分析；MMA算法求解优化模型、更新设计变量；判断收敛；优化结果后处理。本发明专利技术通过对支撑结构、激光路径的协同优化设计，可保证整体结构在增材制造逐层加工过程中的热变形可控，避免结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞，同时减少支撑结构用量，降低制造时间及成本。低制造时间及成本。低制造时间及成本。

【技术实现步骤摘要】
控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法


[0001]本专利技术涉及金属增材制造领域，尤其涉及一种控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法。

技术介绍

[0002]激光金属增材制造是一种将构件离散分层后逐层叠加制造的先进制造技术，广泛应用于航空、航天等领域。在制造过程中，高能激光束将引起高温度梯度，使结构产生热变形。若在制造过程中结构热变形过大，已成形构件将与铺粉装置发生碰撞，导致制造失败甚至增材制造设备损坏，造成严重的经济损失。
[0003]支撑结构与激光路径是影响增材制造构件热变形的两大因素。
[0004]在工程应用中，制造工程师通常基于给定的激光路径，根据经验手动添加支撑结构，后续基于仿真或实验验证构件能否成功制造。若无法成功制造，则需多次调整支撑结构，并进行仿真或样件试制，试错周期长、成本高。
[0005]专利号为CN112765865B的中国专利公开了一种控制金属粉床增材制造热变形的支撑结构拓扑优化方法，该方法基于给定的激光路径，可优化获得使构件热变形降低的支撑结构设计。然而，该方法仅对支撑结构进行优化，未考虑激光路径对增材制造构件热变形的影响。若激光路径设计不当，则需添加大量支撑结构才可避免已成形结构与铺粉装置发生碰撞的问题，带来较大的增材制造及支撑移除成本。若在支撑结构优化设计的同时，对激光路径开展协同优化设计，可在避免已成形结构与铺粉装置发生碰撞的前提下，进一步降低支撑结构用量，进而降低制造成本。
[0006]因此，本领域的技术人员致力于开发一种控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法，通过对支撑结构、激光路径的协同优化设计，在整体结构增材制造逐层加工过程热变形可控的前提下，最小化支撑结构材料用量，解决金属粉床增材制造逐层加工过程结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞的问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何实现支撑结构和激光路径的协同优化设计，解决金属粉床增材制造逐层加工过程结构因热变形过大与铺粉装置发生碰撞的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法，所述方法包括以下步骤：
[0009]步骤1、将包围给定本体结构的区域用正方体单元离散；定义本体结构所在区域为Ω1，其余区域为Ω2；激光路径优化的设计域为Ω1∪Ω2，支撑结构优化的设计域为Ω2；
[0010]步骤2、初始化设计变量μ＝(μ1，μ2，...，μ
n
)，用于间接表示结构有无；初始化设计变量v＝(v1，v2，...，v
n
)，用于间接表示结构的相对密度；初始化设计变量d＝(d1，d2，...，d
n
)，用于表示各单元的激光扫描方向；其中，n为单元总数；
[0011]步骤3、基于密度过滤和投影函数，将设计变量μ转化为直接表示结构有无的物理变量ρ＝(ρ1，ρ2，...，ρ
n
)，将设计变量v转化为直接表示单元相对密度的物理变量φ＝(φ1，φ2，
…
，φ
n
)；
[0012]步骤4、根据表示激光扫描方向的设计变量d＝(d1，d2，...，d
n
)，计算各单元固有应变ε＝(ε1，ε2，...，ε
n
)；
[0013]步骤5、基于SIMP公式，建立整体结构刚度插值模型；
[0014]步骤6、基于固有应变法，建立整体结构逐层加工过程有限元仿真模型并求解，获得整体结构在增材制造加工过程中的热变形；
[0015]步骤7、计算设计响应，包括增材制造过程顶层结构最大热变形Q、支撑结构体积分数V、悬挂角度约束响应G；
[0016]步骤8、计算各设计响应对各设计变量的灵敏度；
[0017]步骤9、建立优化模型，并基于移动渐近线算法求解，更新设计变量μ、v、d；
[0018]步骤10、判断迭代是否收敛；如果所有约束均满足，且连续10步目标函数相对变化量小于1％，则转到步骤11，否则转到所述步骤3；
[0019]步骤11、对支撑结构优化结果进行后处理；根据设计变量d的优化结果，生成加工各层结构的激光扫描路径。
[0020]进一步地，所述步骤2还包括：在初始化过程中，若单元i属于本体结构所在区域Ω1，则将μ中的分量μ
i
、v中的分量v
i
初始化为1，并且在后续优化过程中始终保持不变。
[0021]进一步地，在所述步骤3中，密度过滤公式如下：
[0022][0023][0024]式中，M
e
＝{i|||X
i
‑
X
e
||≤r
min
}为单元e以r
min
为半径的邻域，X
i
与X
e
分别为单元i与单元e的中心坐标，H
ie
＝max{r
min
‑
||X
i
‑
X
e
||，0}为权重系数；
[0025]投影函数公式如下：
[0026][0027]式中，β为投影的陡度，η为投影阈值；
[0028]表示某单元相对密度的物理变量通过下式获得：
[0029][0030]进一步地，所述步骤4还包括：单元i的固有应变为ε
i
(d
i
)＝(ε
x
(d
i
)，ε
y
(d
i
)，0，ε
xy
(d
i
)，0，0)
T
，各分量通过下式计算获得：
[0031][0032][0033][0034]其中，表示激光沿x轴扫描时的固有应变分量。
[0035]进一步地，所述整体结构刚度插值模型为：
[0036]E
e
＝E
min
+φ
ep
(E0‑
E
min
)
[0037]其中，E
e
为单元e经插值后得到的弹性模量；E
min
为避免有限元求解矩阵奇异引入的最小值；p为惩罚系数。
[0038]进一步地，所述整体结构逐层加工过程有限元仿真模型为：
[0039]K
i
U
i
＝F
i
，i＝1，2，...，N
[0040]其中，N为增材制造逐层加工过程仿真时所考虑的总层数；K
i
为前i层结构的刚度矩阵；U
i
为加工第i层结构所引起的热变形向量；F
i
为加工第i层结构时的固有应变等效载荷向量，可由下式计算获得：
[0041][0042]其中，A
i
为第i层单元，Y
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、将包围给定本体结构的区域用正方体单元离散；定义本体结构所在区域为Ω1，其余区域为Ω2；激光路径优化的设计域为Ω1∪Ω2，支撑结构优化的设计域为Ω2；步骤2、初始化设计变量μ＝(μ1,μ2,...,μ
n
)，用于间接表示结构有无；初始化设计变量ν＝(ν1,ν2,...,ν
n
)，用于间接表示结构的相对密度；初始化设计变量d＝(d1,d2,...,d
n
)，用于表示各单元的激光扫描方向；其中，n为单元总数；步骤3、基于密度过滤和投影函数，将设计变量μ转化为直接表示结构有无的物理变量ρ＝(ρ1,ρ2,
…
,ρ
n
)，将设计变量ν转化为直接表示单元相对密度的物理变量φ＝(φ1,φ2,
…
,φ
n
)；步骤4、根据表示激光扫描方向的设计变量d＝(d1,d2,
…
,d
n
)，计算各单元固有应变ε＝(ε1,ε2,...,ε
n
)；步骤5、基于SIMP公式，建立整体结构刚度插值模型；步骤6、基于固有应变法，建立整体结构逐层加工过程有限元仿真模型并求解，获得整体结构在增材制造加工过程中的热变形；步骤7、计算设计响应，包括增材制造过程顶层结构最大热变形Q、支撑结构体积分数V、悬挂角度约束响应G；步骤8、计算各设计响应对各设计变量的灵敏度；步骤9、建立优化模型，并基于移动渐近线算法求解，更新设计变量μ、ν、d；步骤10、判断迭代是否收敛；如果所有约束均满足，且连续10步目标函数相对变化量小于1％，则转到步骤11，否则转到所述步骤3；步骤11、对支撑结构优化结果进行后处理；根据设计变量d的优化结果，生成加工各层结构的激光扫描路径。2.如权利要求1所述的控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤2还包括：在初始化过程中，若单元i属于本体结构所在区域Ω1，则将μ中的分量μ
i
、ν中的分量ν
i
初始化为1，并且在后续优化过程中始终保持不变。3.如权利要求1所述的控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法，其特征在于，在所述步骤3中，密度过滤公式如下：特征在于，在所述步骤3中，密度过滤公式如下：式中，M
e
＝{i|||X
i
‑
X
e
||≤r
min
}为单元e以r
min
为半径的邻域，X
i
与X
e
分别为单元i与单元e的中心坐标，H
ie
＝max{r
min
‑
||X
i
‑
X
e
||,0}为权重系数；投影函数公式如下：
式中，β为投影的陡度，η为投影阈值；表示某单元相对密度的物理变量通过下式获得：4.如权利要求3所述的控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤4还包括：单元i的固有应变为ε
i
(d
i
)＝(ε
x
(d
i
),ε
y
(d
i
),0,ε
xy
(d
i
),0,0)
T
，各分量通过下式计算获得：量通过下式计算获得：量通过下式计算获得：其中，表示激光沿x轴扫描时的固有应变分量。5.如权利要求4所述的控制增材制造热变形的激光路径和支撑结构优化设计方法，其特征在于，所述整...

【专利技术属性】
技术研发人员：周明东，刘义畅，黄晓禹，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：