GB∕T 43148-2023 增材制造 结构轻量化设计要求（正式版）

增材制造结构轻量化设计要求2023-09-07发布2023-09-07实施国家市场监督管理总局 I 2规范性引用文件 l3术语和定义 4结构轻量化设计总体要求 4.1通则 24.2设计流程 25基于多孔结构的结构轻量化设计要求 35.1三维点阵设计 5.2其他多孔结构设计 5.3梯度点阵设计 6基于拓扑优化的结构轻量化设计要求 6.1概述 46.2基于拓扑优化结构轻量化设计流程 47增材制造工艺约束设计要求 57.1极限加工尺寸约束 7.2悬垂约束 7.3封闭空腔 7.4模型摆放 7.5应力集中 附录A(资料性)基于多孔结构的结构轻量化设计示意图 6附录B(资料性)典型蜂窝结构及其力学性能 附录C(资料性)基于拓扑优化的结构轻量化设计实例 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC562)归口。本文件起草单位：南京理工大学、广东汉邦激光科技有限公司、裕克施乐塑料制品(太仓)有限公司、中机生产力促进中心有限公司、江苏徐工工程机械研究院有限公司、中国海洋大学、中机新材料研究院(郑州)有限公司、西安增材制造国家研究院有限公司、南京中科煜宸激光技术有限公司、云南增材佳唯科技有限公司、南京铖联激光科技有限公司、华南理工大学、北京遥感设备研究所、中国航发商用航空发动机有限责任公司、湖南华曙高科技股份有限公司、中国机械总院集团江苏分院有限公司、国营芜湖机械厂、杭州喜马拉雅信息科技有限公司、西安交通大学、华质卓越生产力促进(北京)有限公司、华中科技大学、西北工业大学、共享智能装备有限公司、中国电子科技集团公司第十研究所、中航迈特粉冶科技(北京)有限公司。1增材制造结构轻量化设计要求1范围本文件规定了面向增材制造的结构轻量化设计总体要求、基于多孔结构和拓扑优化的轻量化设计要求及其工艺约束设计要求。本文件适用于面向增材制造的结构轻量化设计。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T18784.2CAD/CAM数据质量保证方法GB/T24734.4技术产品文件数字化产品定义数据通则第4部分：设计模型要求GB/T35351增材制造术语GB/T37698增材制造设计要求、指南和建议3术语和定义GB/T35351界定的以及下列术语和定义适用于本文件。悬垂结构overhangstructure待制造模型中，沿重力方向无直接接触实体的悬空部分的结构。悬垂角overhangangle悬垂结构外切面与水平面的锐角夹角。悬臂长度lengthofoverhangingbeam打印件悬垂结构等效为悬臂梁后的长度。多孔结构porousstructure周期性或非周期性布置的三维开孔结构。拓扑优化topologicaloptimization一种根据负载情况、约束条件、性能指标和增材制造工艺要求，在给定的区域内对材料分布进行优化的结构轻量化设计方法。2GB/T43148—20234结构轻量化设计总体要求4.1通则结构轻量化设计是在初始三维模型的基础上，充分考虑增材制造工艺约束，通过对模型进行多孔结构、拓扑优化等轻量化设计，形成适用于增材制造的轻量化结构。结构轻量化设计前应按照GB/T37698的规定进行增材制造潜能评定，并判定是否需要进行结构轻量化设计。结构轻量化设计在满足设计初始减重需求的同时，还应满足工况性能要求。4.2.1流程图结构轻量化设计流程见图1。模型输入模型输入模型数据质量检测与修复模型工况分析折扑优化之是拓扑优化设计是否需要设计多孔结构”是多孔结构设计工艺约束条件检查否，拓扑优化设计不是否符合符合工艺要求上艺要求?是输出模型否，多孔结构设计不符合工艺要求否图1结构轻量化设计流程4.2.2模型输入及质量检测结构轻量化设计前需对输入的模型进行数据质量检测和修复，以确保模型的数据质量符合GB/T24734.4和GB/T18784.2的要求，模型不应出现非流形、面缺失、裂缝、逆向法向量、数据交错等影响结构轻量化设计的错误数据。3结构轻量化设计首先需要对输入模型进行工况分析，随后根据分析结果判定是否需要进行拓扑优化设计、多孔结构设计等轻量化设计，最后进行工艺约束条件检查，形成适合于增材制造的轻量化、高性能、满足工艺约束要求的结构。完成轻量化设计的模型应能导入增材制造设备。5基于多孔结构的结构轻量化设计要求5.1三维点阵设计5.1.1三维点阵胞元设计三维点阵是周期拓扑有序的多孔阵列结构。常见的三维点阵胞元包括由杆和节点组成的桁架胞元、以及三重周期极小曲面胞元等。其胞元的拓扑形态如图2所示。a)桁架胞元b)三重周期极小曲面胞元图2常见三维点阵胞元示意图基于三维点阵的结构轻量化设计是通过改变胞元形状、尺寸以及杆的悬垂角等方法，得到满足力、热性能要求的轻量化结构，设计的特征结构极限尺寸应满足增材制造成形工艺的要求。5.1.2三维点阵填充取向应根据第7章的增材制造工艺约束设计要求，合理选择三维点阵结构的填充取向，减少悬垂结构。三维点阵填充取向示意图见附录A中的图A.1。5.1.3边缘点阵设计三维点阵结构的边缘区域需尽可能保持胞元的完整性。边缘点阵填充设计示意图见图A.2。5.2其他多孔结构设计5.2.1蜂窝结构设计蜂窝结构指周期性布置的拓扑有序的二维开孔阵列板状结构。可选用三角形、四边形、六边形、圆形、凹角六边形、双V形、手性结构、星形等蜂窝结构对模型进行轻量化设计。宜充分考虑服役工况下结构的力学特性，基于结构-性能理论和经验公式进行蜂窝结构设计。典型4蜂窝结构及其力学性能的关联关系见附录B。5.2.2泡沫结构设计泡沫结构指胞元构型及排布方式无序的多孔结构。可通过逆向建模法、数学模型法设计泡沫结构并填充模型，得到满足工况要求的轻量化结构。5.3梯度点阵设计宜根据三维点阵结构的工况条件，调整点阵胞元尺寸或拓扑构型，实现点阵结构密度的梯度调节。在满足轻量化设计目标的前提下，使结构的力、热等工况性能更优。梯度点阵结构的设计示意图见6基于拓扑优化的结构轻量化设计要求拓扑优化是结构轻量化设计的一种，通过数学建模，以结构轻量化为优化目标，在满足工况要求及体积、增材制造工艺等约束的条件下，实现材料的最优分布。基于拓扑优化的结构轻量化设计流程图见图A.4。基于拓扑优化的结构轻量化设计实例见附录C。6.2基于拓扑优化结构轻量化设计流程6.2.1模型预处理对三维模型进行拓扑优化设计时，应确保模型文件具有可读性，能够通过拓扑优化软件或者程序读入。宜通过预处理，去除倒角、倒圆角等特征，保证模型网格划分，防止在有限元分析过程中发生负体积等错误。根据设计要求，定义拓扑优化模型的设计域与非设计域。设计域为可优化的区域，非设计域为优化过程中不发生变化的区域。零件配合处、载荷与约束附近区域一般定义为非设计域。边界条件主要分为载荷条件和约束条件。载荷可分为集中力、压强、扭矩等，约束可分为固定部分有限元分析计算的数学模型需尽可能贴切于现实物理环境，确保最优解。6.2.5有限元网格划分有限元网格划分需尽可能保证网格数量足够大、网格体积足够小，确保有限元分析计算可以在多次优化迭代中顺利进行，避免计算结果不收敛。根据优化目标、边界条件与载荷，对结构进行拓扑优化迭代计算，直至迭代收敛。5得到优化结构后，宜将模型导出至三维建模软件平台，进行后处理，如光顺或模型错误修复等。7增材制造工艺约束设计要求7.1极限加工尺寸约束结构轻量化设计的模型应满足可加工壁厚、最小截面、最小孔径、极小尖角等设计要求。7.2悬垂约束结构轻量化设计不应出现影响模型加工的悬垂结构。若无法避免，宜根据增材制造工艺类型、零件结构、零件性能要求，综合考虑成形时间及材料特性等因素，调整悬垂角、悬臂长度，设计额外的工艺支撑结构或变更模型设计，从而确保模型在加工过程中不会发生坍塌、翘曲变形、表面质量下降等问题。悬垂结构及悬垂结构优化设计方法见图A.5和图A.6。7.3封闭空腔轻量化设计模型内部不应有封闭空腔结构。封闭空腔结构可设计出粉孔，使空腔与外界连通。封闭空腔示意图见图A.7。7.4模型摆放结构轻量化设计时应评估模型摆放角度、特征精度、强度指标对摆放方向的影响。可对模型中精度要求高的部位添加余量，成形后通过机加工来保证该部位的精度。模型中精度要求高的平面区域或配合面宜作为上表面，且需与加工平面保持平行。模型中精度要求高的曲面区域应垂直于加工平面，降低阶梯效应对表面精度的影响。轻量化设计后的零件可能存在大块区域或厚度不均匀的结构，容易产生较大的结构应力。此外，尖锐的内部拐角也会引起应力集中(或应力升高),导致零件过早失效。宜对结构轻量化设计后可能存在的应力集中区域进行整体评估。6(资料性)基于多孔结构的结构轻量化设计示意图A.1三维点阵填充取向如图A.1所示，当三维点阵平行于成形方向填充，每个胞元支柱均存在水平悬垂结构；当点阵与成形方向呈角度0,能够有效减少悬垂结构。a)边缘不完整点阵b)边缘完整点阵图A.1三维点阵填充取向示意图如图A.2所示，a)图AB区域边缘点阵形态不完整，使得相邻胞元未能够完全连接，结构上出现间断，b)图中的边缘点阵形貌较为完整。a)边缘不完整点阵b)边缘完整点阵图A.2边缘点阵填充设计示意图A.3梯度点阵设计以悬臂梁为例，可根据结构应力分布，在高应力区域填充相对密度高的点阵胞元，低应力区域填充相对密度低的点阵胞元，如图A.3所示。7a)悬臂梁边界条件b)拓扑优化密度分布图c)悬臂梁梯度点阵分布图A.3梯度点阵设计示意图A.4基于拓扑优化结构轻量化设计流程基于拓扑优化结构轻量化设计流程图如图A.4所示。导入模型导入模型划分设计域设定边界条件有限元网格划分有限元计算拓扑优化改变结构材料分布迭代收敛终止条件是拓扑优化结果模型后处理模型输出图A.4基于拓扑优化结构轻量化设计流程图A.5悬垂结构对于多数增材制造工艺，当模型中的悬垂角α低于一定门限值时，可考虑设计额外的工艺支撑结构，否则模型在加工过程中会发生坍塌、翘曲变形、表面质量下降等问题。该角度与选用的增材制造工8标引符号说明：A——成形方向；B——悬垂角；C——悬垂区域；D——悬臂长度。图A.5悬垂结构示意图如图A.6所示，通过优化悬垂区域的形状，将悬垂圆孔设计为雨滴型自支撑孔、将阶梯状悬垂面设计为渐变式自支撑曲面，可获得更好的零件成形表质量。标引符号说明：A——悬垂结构；B——支撑结构；C——原始结构；D——设计方案1;E——设计方案2;F——悬垂圆孔，设计为雨滴型孔；G——阶梯状悬垂面；H——阶梯状悬垂面，设计为自支撑曲面。图A.6悬垂结构优化设计示意图模型内部不宜有影响成形质量的封闭空腔结构，如图A.7中B所示，空腔与外界不连通，打印后容易累积粉末材料且内部支撑结构无法去除。9标引符号说明：A——三维模型；B——封闭空腔。图A.7封闭空腔示意图GB/T43148—2023(资料性)典型蜂窝结构及其力学性能八种典型蜂窝结构及其力学性能见表B.1。表B.1八种典型蜂窝结构及其力学性能力学性能三角形四边形六边形圆形Ta=0.183oysp²+(0.815p²+0.985pr-0.0005)p,V²表B.1八种典型蜂窝结构及其力学性能(续)典型蜂窝结构力学性能凹角六边形双V形手性结构星形平方向的抗压强度，σ₂为垂直方向的抗压强度，σa为面内动态抗压强度，Pm为面外平均压