【摘 要】
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随着结构拓扑优化技术在有限元分析软件中的广泛应用以及增材制造技术的快速发展,极大的解放了结构的设计自由度,为结构的轻量化设计提供了更大的可能性。但结构拓扑优化中有限元模型的不准确会降低优化结果的可靠度,参数的不合理设置会导致结构拓扑优化结果中出现如孤立体、断支等影响结构性能的特征,且目前的增材制造技术并不能完全无视结构的所有几何约束,进行无限制的制造。如何提升结构拓扑优化结果的可制造性,更大程度发
【基金项目】
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工信部民机专项“基于增材制造的民用飞机结构设计及验证技术研究”（项目编号:MJZ-2017-F-13,项目类别:飞行器技术组）的子项目—“典型民机结构增材制造成本分析及拓扑优化关键技术研究”; 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心委托哈尔滨理工大学的“增材制造金属试验件力学性能分析、显微组织分析与无损检测分析”项目
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随着结构拓扑优化技术在有限元分析软件中的广泛应用以及增材制造技术的快速发展,极大的解放了结构的设计自由度,为结构的轻量化设计提供了更大的可能性。但结构拓扑优化中有限元模型的不准确会降低优化结果的可靠度,参数的不合理设置会导致结构拓扑优化结果中出现如孤立体、断支等影响结构性能的特征,且目前的增材制造技术并不能完全无视结构的所有几何约束,进行无限制的制造。如何提升结构拓扑优化结果的可制造性,更大程度发挥结构拓扑优化和增材制造技术两者结合的优势,是工程实际应用中面临的重要课题。本文以典型金属次承力民机元件鹅颈链为研究对象,围绕基于静强度的增材制造件结构拓扑优化设计展开系统的研究,主要包括以下几部分内容:（1）增材制造鹅颈链有限元模型的静力验证方案的设计及实施。针对某公司提供的增材制造鹅颈链,设计了配套夹具,进行了静力试验和试验数据的可靠性评估,通过以试验数据均值为基准,分析了不同钛合金材料属性有限元分析结果与试验数据均值的误差,验证了有限元模型的准确性和可靠性,为后续在有限元中进行的结构拓扑优化提供了一个经过试验验证的较为准确的有限元模型。（2）结构拓扑优化的影响因素分析。通过对商用软件Abaqus进行二次开发,以原始鹅颈链为对象进行了结构拓扑优化影响因素的研究,探讨了网格类型、网格尺寸、材料属性、初始密度、过滤半径和惩罚因子各影响因素对结构拓扑优化结构构型的影响,提出了各影响因素的推荐标准,提出的推荐标准提升了结构拓扑优化的可制造性。（3）基于选区激光熔化的结构拓扑优化结果的几何重构研究。针对结构拓扑优化结构构型中出现的孤立体、断支等影响结构性能的特征和选区激光熔化技术的制造约束,提出了结构拓扑优化后处理过程中的几何重构准则,深入分析了实现几何重构的方法,制定了几何重构路线;借助正交试验对几何重构模型进行了有限元分析,通过极差和方差分析确定了网格尺寸、过滤半径、惩罚因子各因素对柔度、最大应力、减重比和计算时间指标的影响权重,并采用综合平衡法确定了六面体和四面体网格结构构型的最优的几何重构数模,相对原始模型分别减重23.46%和22.22%,相对某公司提供的模型分别减重4.08%和2.84%,最大应力分别减少至948.8MPa和998.5MPa,满足静力工况要求。
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