[发明专利]一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法

说明书

本发明涉及一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：S1、通过电弧增材薄墙体获取电弧增材各个方向的弹性模量及泊松比等物理参数；S2、对结构基于电弧增材各向异性参数进行拓扑优化；S3、将得到的拓扑优化模型按照不同材料方向进行分区及路径规划；S4、根据路径规划，保持变位机水平且焊枪竖直，或者变位机水平而焊枪转动，或者变位机转动而焊枪竖直，或者变位机转动且焊枪也转动，对不同区域依次进行电弧增材制造，并保证增材方向与拓扑结构材料方向一致；S5、完成各向异性拓扑优化结构的无支撑拓扑结构电弧增材制造。该方法有利于实现无支撑的电弧增材制造，保证拓扑优化结构的设计自由度，并提高材料的利用率。

技术领域

本发明属于电弧增材制造技术领域，具体涉及一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法。

背景技术

拓扑优化是指通过合理的分配各种材料、确定最优传力路径去寻求在满足零件高性能的前提下实现轻量化以及多功能创新结构的设计方法。与尺寸优化、形状优化不同，其具有更高的设计自由度，结构往往是十分具有新颖性的。然而拓扑优化的构件往往具有复杂的形状，传统的增材方式很难甚至无法进行加工，因此需要利用增材技术将复杂零件一层层堆积增材出来。

拓扑结构的增材制造主要包括激光增材制造、电子束增材制造以及电弧增材制造。目前，主要是采用基于激光的增材制造技术对拓扑优化构件进行制造，使用电弧增材来成形拓扑优化构件的很少。电弧增材制造技术做为增材技术的一种，是通过熔化焊丝实现增材制造。相较于激光增材、电子束增材，具有成本低、效率高、不受结构尺寸限制等优点。增材的结构已经被证明具有明显的各向异性，若对结构进行拓扑时将增材的各向异性考虑在内，能够在保持原有性能的前提下提高材料的利用率，节约成本。但是，考虑方向的拓扑结构的电弧增材有时会出现某个特定的材料方向无法进行电弧增材等问题，从而限制了电弧增材在拓扑结构领域的应用。除此之外，由于拓扑结构的复杂程度较高，会出现需要增材部位因为焊枪干涉问题无法抵达等难题。

专利CN111444640A提出一种考虑增材制造倾角约束的拓扑方法，其虽然能应用于电弧增材领域，但并未考虑增材材料的各向异性，也并未提供一种适用于实际电弧增材的方法。专利CN107457469B、CN102962547B提出了一些结构增材制造方法，但结构简单，通过保持焊枪固定姿态即可实现结构增材，且未考虑各向异性增材。专利CN107470620B提出一种制作法兰的电弧增材制造方法，但结构简单，且通过增材后的热处理解决Z方向强度不足的问题，未考虑通过增材本身的方式解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，该方法有利于实现无支撑的电弧增材制造，保证拓扑优化结构的设计自由度，并提高材料的利用率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：

步骤S1、通过电弧增材薄墙体获取电弧增材各个方向的弹性模量及泊松比等物理参数；

步骤S2、对结构基于电弧增材各向异性参数进行拓扑优化；

步骤S3、将得到的拓扑优化模型按照不同材料方向进行分区及路径规划；

步骤S4、根据路径规划，保持变位机水平且焊枪竖直，或者变位机水平而焊枪转动，或者变位机转动而焊枪竖直，或者变位机转动且焊枪也转动，对不同区域依次进行电弧增材制造，并保证增材方向与拓扑结构材料方向一致；

步骤S5、完成各向异性拓扑优化结构的无支撑拓扑结构电弧增材制造。

进一步地，所述步骤S3中，如果出现某一部分完全无法增材的情况，则将此部分的材料方向更改为强度更高、且便于增材的材料方向。

进一步地，所述步骤S3中，如果出现某一部分无法增材，且此部分的材料方向即为强度最高的材料方向，或者比此部分材料方向强度更强的材料方向也无法增材的情况，则将此部分材料方向更改为便于增材的材料方向，且对此部分进行适当加粗补强。