GB∕T 43148-2023 增材制造 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計要求（正式版）

增材制造結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計要求2023-09-07發(fā)布2023-09-07實施國家市場監(jiān)督管理總局 I 2規(guī)范性引用文件 l3術(shù)語和定義 4結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計總體要求 4.1通則 24.2設(shè)計流程 25基于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計要求 35.1三維點陣設(shè)計 5.2其他多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.3梯度點陣設(shè)計 6基于拓撲優(yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計要求 6.1概述 46.2基于拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程 47增材制造工藝約束設(shè)計要求 57.1極限加工尺寸約束 7.2懸垂約束 7.3封閉空腔 7.4模型擺放 7.5應力集中 附錄A(資料性)基于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計示意圖 6附錄B(資料性)典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學性能 附錄C(資料性)基于拓撲優(yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計實例 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。本文件由全國增材制造標準化技術(shù)委員會(SAC/TC562)歸口。本文件起草單位：南京理工大學、廣東漢邦激光科技有限公司、裕克施樂塑料制品(太倉)有限公司、中機生產(chǎn)力促進中心有限公司、江蘇徐工工程機械研究院有限公司、中國海洋大學、中機新材料研究院(鄭州)有限公司、西安增材制造國家研究院有限公司、南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司、云南增材佳唯科技有限公司、南京鋮聯(lián)激光科技有限公司、華南理工大學、北京遙感設(shè)備研究所、中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司、湖南華曙高科技股份有限公司、中國機械總院集團江蘇分院有限公司、國營蕪湖機械廠、杭州喜馬拉雅信息科技有限公司、西安交通大學、華質(zhì)卓越生產(chǎn)力促進(北京)有限公司、華中科技大學、西北工業(yè)大學、共享智能裝備有限公司、中國電子科技集團公司第十研究所、中航邁特粉冶科技(北京)有限公司。1增材制造結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計要求1范圍本文件規(guī)定了面向增材制造的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計總體要求、基于多孔結(jié)構(gòu)和拓撲優(yōu)化的輕量化設(shè)計要求及其工藝約束設(shè)計要求。本文件適用于面向增材制造的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T18784.2CAD/CAM數(shù)據(jù)質(zhì)量保證方法GB/T24734.4技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則第4部分：設(shè)計模型要求GB/T35351增材制造術(shù)語GB/T37698增材制造設(shè)計要求、指南和建議3術(shù)語和定義GB/T35351界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。懸垂結(jié)構(gòu)overhangstructure待制造模型中，沿重力方向無直接接觸實體的懸空部分的結(jié)構(gòu)。懸垂角overhangangle懸垂結(jié)構(gòu)外切面與水平面的銳角夾角。懸臂長度lengthofoverhangingbeam打印件懸垂結(jié)構(gòu)等效為懸臂梁后的長度。多孔結(jié)構(gòu)porousstructure周期性或非周期性布置的三維開孔結(jié)構(gòu)。拓撲優(yōu)化topologicaloptimization一種根據(jù)負載情況、約束條件、性能指標和增材制造工藝要求，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法。2GB/T43148—20234結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計總體要求4.1通則結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計是在初始三維模型的基礎(chǔ)上，充分考慮增材制造工藝約束，通過對模型進行多孔結(jié)構(gòu)、拓撲優(yōu)化等輕量化設(shè)計，形成適用于增材制造的輕量化結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計前應按照GB/T37698的規(guī)定進行增材制造潛能評定，并判定是否需要進行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計在滿足設(shè)計初始減重需求的同時，還應滿足工況性能要求。4.2.1流程圖結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程見圖1。模型輸入模型輸入模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測與修復模型工況分析折撲優(yōu)化之是拓撲優(yōu)化設(shè)計是否需要設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)”是多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝約束條件檢查否，拓撲優(yōu)化設(shè)計不是否符合符合工藝要求上藝要求?是輸出模型否，多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計不符合工藝要求否圖1結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程4.2.2模型輸入及質(zhì)量檢測結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計前需對輸入的模型進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測和修復，以確保模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量符合GB/T24734.4和GB/T18784.2的要求，模型不應出現(xiàn)非流形、面缺失、裂縫、逆向法向量、數(shù)據(jù)交錯等影響結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的錯誤數(shù)據(jù)。3結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計首先需要對輸入模型進行工況分析，隨后根據(jù)分析結(jié)果判定是否需要進行拓撲優(yōu)化設(shè)計、多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計等輕量化設(shè)計，最后進行工藝約束條件檢查，形成適合于增材制造的輕量化、高性能、滿足工藝約束要求的結(jié)構(gòu)。完成輕量化設(shè)計的模型應能導入增材制造設(shè)備。5基于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計要求5.1三維點陣設(shè)計5.1.1三維點陣胞元設(shè)計三維點陣是周期拓撲有序的多孔陣列結(jié)構(gòu)。常見的三維點陣胞元包括由桿和節(jié)點組成的桁架胞元、以及三重周期極小曲面胞元等。其胞元的拓撲形態(tài)如圖2所示。a)桁架胞元b)三重周期極小曲面胞元圖2常見三維點陣胞元示意圖基于三維點陣的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計是通過改變胞元形狀、尺寸以及桿的懸垂角等方法，得到滿足力、熱性能要求的輕量化結(jié)構(gòu)，設(shè)計的特征結(jié)構(gòu)極限尺寸應滿足增材制造成形工藝的要求。5.1.2三維點陣填充取向應根據(jù)第7章的增材制造工藝約束設(shè)計要求，合理選擇三維點陣結(jié)構(gòu)的填充取向，減少懸垂結(jié)構(gòu)。三維點陣填充取向示意圖見附錄A中的圖A.1。5.1.3邊緣點陣設(shè)計三維點陣結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域需盡可能保持胞元的完整性。邊緣點陣填充設(shè)計示意圖見圖A.2。5.2其他多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計蜂窩結(jié)構(gòu)指周期性布置的拓撲有序的二維開孔陣列板狀結(jié)構(gòu)?？蛇x用三角形、四邊形、六邊形、圓形、凹角六邊形、雙V形、手性結(jié)構(gòu)、星形等蜂窩結(jié)構(gòu)對模型進行輕量化設(shè)計。宜充分考慮服役工況下結(jié)構(gòu)的力學特性，基于結(jié)構(gòu)-性能理論和經(jīng)驗公式進行蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計。典型4蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系見附錄B。5.2.2泡沫結(jié)構(gòu)設(shè)計泡沫結(jié)構(gòu)指胞元構(gòu)型及排布方式無序的多孔結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^逆向建模法、數(shù)學模型法設(shè)計泡沫結(jié)構(gòu)并填充模型，得到滿足工況要求的輕量化結(jié)構(gòu)。5.3梯度點陣設(shè)計宜根據(jù)三維點陣結(jié)構(gòu)的工況條件，調(diào)整點陣胞元尺寸或拓撲構(gòu)型，實現(xiàn)點陣結(jié)構(gòu)密度的梯度調(diào)節(jié)。在滿足輕量化設(shè)計目標的前提下，使結(jié)構(gòu)的力、熱等工況性能更優(yōu)。梯度點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計示意圖見6基于拓撲優(yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計要求拓撲優(yōu)化是結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的一種，通過數(shù)學建模，以結(jié)構(gòu)輕量化為優(yōu)化目標，在滿足工況要求及體積、增材制造工藝等約束的條件下，實現(xiàn)材料的最優(yōu)分布?；谕負鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程圖見圖A.4?；谕負鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計實例見附錄C。6.2基于拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程6.2.1模型預處理對三維模型進行拓撲優(yōu)化設(shè)計時，應確保模型文件具有可讀性，能夠通過拓撲優(yōu)化軟件或者程序讀入。宜通過預處理，去除倒角、倒圓角等特征，保證模型網(wǎng)格劃分，防止在有限元分析過程中發(fā)生負體積等錯誤。根據(jù)設(shè)計要求，定義拓撲優(yōu)化模型的設(shè)計域與非設(shè)計域。設(shè)計域為可優(yōu)化的區(qū)域，非設(shè)計域為優(yōu)化過程中不發(fā)生變化的區(qū)域。零件配合處、載荷與約束附近區(qū)域一般定義為非設(shè)計域。邊界條件主要分為載荷條件和約束條件。載荷可分為集中力、壓強、扭矩等，約束可分為固定部分有限元分析計算的數(shù)學模型需盡可能貼切于現(xiàn)實物理環(huán)境，確保最優(yōu)解。6.2.5有限元網(wǎng)格劃分有限元網(wǎng)格劃分需盡可能保證網(wǎng)格數(shù)量足夠大、網(wǎng)格體積足夠小，確保有限元分析計算可以在多次優(yōu)化迭代中順利進行，避免計算結(jié)果不收斂。根據(jù)優(yōu)化目標、邊界條件與載荷，對結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化迭代計算，直至迭代收斂。5得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，宜將模型導出至三維建模軟件平臺，進行后處理，如光順或模型錯誤修復等。7增材制造工藝約束設(shè)計要求7.1極限加工尺寸約束結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的模型應滿足可加工壁厚、最小截面、最小孔徑、極小尖角等設(shè)計要求。7.2懸垂約束結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計不應出現(xiàn)影響模型加工的懸垂結(jié)構(gòu)。若無法避免，宜根據(jù)增材制造工藝類型、零件結(jié)構(gòu)、零件性能要求，綜合考慮成形時間及材料特性等因素，調(diào)整懸垂角、懸臂長度，設(shè)計額外的工藝支撐結(jié)構(gòu)或變更模型設(shè)計，從而確保模型在加工過程中不會發(fā)生坍塌、翹曲變形、表面質(zhì)量下降等問題。懸垂結(jié)構(gòu)及懸垂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法見圖A.5和圖A.6。7.3封閉空腔輕量化設(shè)計模型內(nèi)部不應有封閉空腔結(jié)構(gòu)。封閉空腔結(jié)構(gòu)可設(shè)計出粉孔，使空腔與外界連通。封閉空腔示意圖見圖A.7。7.4模型擺放結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計時應評估模型擺放角度、特征精度、強度指標對擺放方向的影響?？蓪δＰ椭芯纫蟾叩牟课惶砑佑嗔?，成形后通過機加工來保證該部位的精度。模型中精度要求高的平面區(qū)域或配合面宜作為上表面，且需與加工平面保持平行。模型中精度要求高的曲面區(qū)域應垂直于加工平面，降低階梯效應對表面精度的影響。輕量化設(shè)計后的零件可能存在大塊區(qū)域或厚度不均勻的結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)應力。此外，尖銳的內(nèi)部拐角也會引起應力集中(或應力升高),導致零件過早失效。宜對結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計后可能存在的應力集中區(qū)域進行整體評估。6(資料性)基于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計示意圖A.1三維點陣填充取向如圖A.1所示，當三維點陣平行于成形方向填充，每個胞元支柱均存在水平懸垂結(jié)構(gòu)；當點陣與成形方向呈角度0,能夠有效減少懸垂結(jié)構(gòu)。a)邊緣不完整點陣b)邊緣完整點陣圖A.1三維點陣填充取向示意圖如圖A.2所示，a)圖AB區(qū)域邊緣點陣形態(tài)不完整，使得相鄰胞元未能夠完全連接，結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)間斷，b)圖中的邊緣點陣形貌較為完整。a)邊緣不完整點陣b)邊緣完整點陣圖A.2邊緣點陣填充設(shè)計示意圖A.3梯度點陣設(shè)計以懸臂梁為例，可根據(jù)結(jié)構(gòu)應力分布，在高應力區(qū)域填充相對密度高的點陣胞元，低應力區(qū)域填充相對密度低的點陣胞元，如圖A.3所示。7a)懸臂梁邊界條件b)拓撲優(yōu)化密度分布圖c)懸臂梁梯度點陣分布圖A.3梯度點陣設(shè)計示意圖A.4基于拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程基于拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程圖如圖A.4所示。導入模型導入模型劃分設(shè)計域設(shè)定邊界條件有限元網(wǎng)格劃分有限元計算拓撲優(yōu)化改變結(jié)構(gòu)材料分布迭代收斂終止條件是拓撲優(yōu)化結(jié)果模型后處理模型輸出圖A.4基于拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程圖A.5懸垂結(jié)構(gòu)對于多數(shù)增材制造工藝，當模型中的懸垂角α低于一定門限值時，可考慮設(shè)計額外的工藝支撐結(jié)構(gòu)，否則模型在加工過程中會發(fā)生坍塌、翹曲變形、表面質(zhì)量下降等問題。該角度與選用的增材制造工8標引符號說明：A——成形方向；B——懸垂角；C——懸垂區(qū)域；D——懸臂長度。圖A.5懸垂結(jié)構(gòu)示意圖如圖A.6所示，通過優(yōu)化懸垂區(qū)域的形狀，將懸垂圓孔設(shè)計為雨滴型自支撐孔、將階梯狀懸垂面設(shè)計為漸變式自支撐曲面，可獲得更好的零件成形表質(zhì)量。標引符號說明：A——懸垂結(jié)構(gòu)；B——支撐結(jié)構(gòu)；C——原始結(jié)構(gòu)；D——設(shè)計方案1;E——設(shè)計方案2;F——懸垂圓孔，設(shè)計為雨滴型孔；G——階梯狀懸垂面；H——階梯狀懸垂面，設(shè)計為自支撐曲面。圖A.6懸垂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計示意圖模型內(nèi)部不宜有影響成形質(zhì)量的封閉空腔結(jié)構(gòu)，如圖A.7中B所示，空腔與外界不連通，打印后容易累積粉末材料且內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)無法去除。9標引符號說明：A——三維模型；B——封閉空腔。圖A.7封閉空腔示意圖GB/T43148—2023(資料性)典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學性能八種典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學性能見表B.1。表B.1八種典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學性能力學性能三角形四邊形六邊形圓形Ta=0.183oysp2+(0.815p2+0.985pr-0.0005)p,V2表B.1八種典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學性能(續(xù))典型蜂窩結(jié)構(gòu)力學性能凹角六邊形雙V形手性結(jié)構(gòu)星形平方向的抗壓強度，σ?為垂直方向的抗壓強度，σa為面內(nèi)動態(tài)抗壓強度，Pm為面外平均壓