考虑3D打印残余变形的结构拓扑优化设计

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3D打印金属粉末快速熔、凝过程中反复剧烈的温度变化不可避免产生残余变形,过大的残余形变积累,可导致打印工件变形、扭曲甚至开裂、失效。本研究利用拓扑优化方法,在结构设计阶段考虑此 “制造约束”,以实现3D打印过程残余变形的有效控制。通过对相邻2个打印层金属粉末熔融过程进行弹塑性热-力耦合有限元分析,提取等效的固有应变载荷,实现金属3D打印过程高效模拟及残余变形快速预测,并进行试验验证;基于浮动映射拓扑优化(Floating Projection Topology Optimization,FPTO)方法,引入整体残余变形P范数,推导3D打印过程残余变形灵敏度,提出结构柔度和3D打印残余变形最小化的多工况多目标优化算法,满足设计性能的同时,提高制造性能;最后通过二维和三维实例,验证所提方法的有效性。
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