文 靜

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

近年來，產(chǎn)品輕量化在眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，起到了至關(guān)重要的作用。一般來說，輕量化分為兩種：材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化。其中，材料輕量化是在保證零件服役性能的基礎(chǔ)上盡可能采用鋁、鈦合金等輕質(zhì)材料制造，以實現(xiàn)輕量化。結(jié)構(gòu)輕量化旨在通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，在保證性能的基礎(chǔ)上減輕零件重量，從而減少了機械整體的重量，降低了汽車、智能機器人設(shè)備運行能耗，顯著降低了生產(chǎn)制造成本，這使得輕量化的優(yōu)勢及應(yīng)用意義也越發(fā)凸顯出來[1]。

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計理念和思路，正是一種兼顧了結(jié)構(gòu)輕量化和力學(xué)性能的優(yōu)化方法，是結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化中相當(dāng)重要的方法。一般來說，拓?fù)鋬?yōu)化是通過分析零件上不同受力的荷載方向，在確定設(shè)計領(lǐng)域后對該空間內(nèi)的材料分布及受力荷載進行合理搭配，由此獲得最佳的結(jié)構(gòu)布局，即最佳的荷載路徑。而后按照實際應(yīng)用需求形成三維模型，從而獲得能夠滿足剛度、應(yīng)力需求的輕量化部件。

但是通過拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)一般存在不規(guī)則性及加工制造困難的局限性，復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)加工工藝很難成型，從而限制了其應(yīng)用，而增材制造技術(shù)的出現(xiàn)剛好解決了這一難題。增材技術(shù)是通過軟件將三維模型切換成二維平面，而后逐層打印成型，這極大程度地減低了因結(jié)構(gòu)而造成的加工難度，提高了小批量的短周期生產(chǎn)效率和材料利用率，使得高性能、復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)。

文章通過Hyperworks軟件對工業(yè)機器人支架進行優(yōu)化設(shè)計，通過對受力荷載及最佳材料分布的分析，規(guī)劃了最佳荷載路徑，而后采用選擇性激光熔化技術(shù)進行制造，打印成型后在保證維持其他性能的前提下，零件較原零件結(jié)構(gòu)的重量減少了20%以上，達到了輕量化的目的。為機械設(shè)計、零件制造等行業(yè)的輕量化提供了一種快捷、便利、新型的設(shè)計成型方法，對于提高零件的設(shè)計效率，縮短制造業(yè)研發(fā)周期具有重要的參考價值。

1 原始結(jié)構(gòu)及背景

對于工業(yè)機器人產(chǎn)品而言，結(jié)構(gòu)產(chǎn)品對重量的敏感度最高，輕量化在降低能耗、改善運動靈活性、提高荷載等方面至關(guān)重要。文章對工業(yè)機器人的某通用支架進行拓?fù)鋬?yōu)化，通過Hyperworks軟件對原有零件的工況條件進行CAE分析，在設(shè)計域內(nèi)根據(jù)分析結(jié)果重新規(guī)劃傳力路徑及最佳材料分布，從而達到拓?fù)鋬?yōu)化的目的，最終結(jié)合金屬SLM技術(shù)實現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的制造。該零件原始設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。原始設(shè)計幾何特征采用板條、斜筋的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用傳統(tǒng)加工工藝成型，零件設(shè)計整體笨重，材料冗余，其幾何參數(shù)如表1所示。為此，希望通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計將零件重量減輕20%以上，同時不犧牲其強度及剛度性能[2]。

圖1 工業(yè)機器人通用支架的原始設(shè)計結(jié)構(gòu)

表1 工業(yè)機器人通用支架的原始幾何參數(shù)

2 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

拓?fù)鋬?yōu)化實際上是對材料和受力荷載的一種分析搭配，通過優(yōu)化使零件達到最佳的荷載分布，其主要流程圖如圖2所示。

2.1 初始模型簡化及網(wǎng)格劃分

進行有限元模型的網(wǎng)格劃分之前首先需要簡化原模型。將原模型存在的圓角、工藝孔等細(xì)小結(jié)構(gòu)刪除，由于在網(wǎng)格劃分時圓角、細(xì)小孔洞結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生過多的細(xì)小畸變單元，從而導(dǎo)致分析結(jié)果與實際存在偏差，同時會在很大程度上增加有限元計算量并影響有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。因此，需要綜合考慮計算精度影響及規(guī)模，對局部特征進行結(jié)構(gòu)簡化，以此提高有限元模型的網(wǎng)格劃分質(zhì)量，進而提高模擬準(zhǔn)確度。簡化原模型后，利用HyperMesh進行網(wǎng)格劃分，首先將簡化后的模型拆分為有公共面的三個體，依次對每個體的特征面及公共面進行2D網(wǎng)格劃分，再使用drag命令生成3D網(wǎng)格單元，網(wǎng)格大小為0.15mm，劃分網(wǎng)格單元數(shù)量為308225，網(wǎng)格質(zhì)量為Comp.QI 0.02，原模型網(wǎng)格劃分信息如圖3所示。

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化流程圖

圖3 支架有限元模型網(wǎng)格劃分

2.2 初始模型的有限元分析

已知該工業(yè)機器人支架使用環(huán)境加載及約束情況，支架頂部需裝載電機，受繞Y軸方向的轉(zhuǎn)矩Mz=100Nm，該輸入荷載是基于ADAMS軟件分析得出，文章不再贅述。支架底座需與螺栓固定，約束X、Y、Z軸方向的平動自由度，約束底部6個螺栓孔的6個自由度，支架通過零件頭部連接孔與其他零件剛性連接，在該節(jié)點上施加繞Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩100Nm，如圖4所示。

圖4 支架加載及約束情況

設(shè)置支架材料屬性為316L不銹鋼，材料密度ρ=7.8×103kg/m3，彈性模量E=168GPa，泊松比μ=0.293，抗拉強度σb=500MPa。

在Hyperworks軟件中按上述加載進行靜力學(xué)分析，得到初始模型的應(yīng)力云圖和變形位移云圖，最大應(yīng)力為51.39MPa，最大位移為0.02mm，如圖5所示。

圖5 支架初始模型應(yīng)力云圖及變形位移云圖

通過仿真分析可知，整個支架初始模型最大應(yīng)力較低，遠(yuǎn)小于材料的屈服強度，最大變形位移只有0.02mm，且主要變形在斜板及頭部區(qū)域，整個底座幾乎全為藍色，應(yīng)力水平和變形都很小，存在較高的材料冗余度[3-4]。

2.3 支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

因為支架在底座及頭部需要安裝固定及連接，所以在進行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化前需劃分設(shè)計域與非設(shè)計域，如圖6所示。設(shè)計域為灰色部分，而支架的上軸孔、底板裝卡孔為非設(shè)計域（紅色部分），劃分設(shè)計域后，利用Hyperworks拓?fù)浞治鲈谠O(shè)計域內(nèi)分析尋找傳力路徑及最佳材料分布。優(yōu)化參數(shù)目標(biāo)：min（compliance）（使柔度最小，即剛度最大）。

圖6 支架的設(shè)計域與非設(shè)計域劃分

采用變密度法，以柔度最小為目標(biāo)函數(shù)進行拓?fù)鋬?yōu)化[5]，使約束條件及工況荷載、網(wǎng)格劃分等參數(shù)與初始模型保持一致，拓?fù)鋬?yōu)化后結(jié)果如圖7所示。從優(yōu)化結(jié)果看，加強筋部材料密度小且分布不連續(xù)，可適當(dāng)減弱該區(qū)域結(jié)構(gòu)，底部位置分布連續(xù)，需重點加強該區(qū)域結(jié)構(gòu)。另外，對于支架的頭部位置也應(yīng)適當(dāng)加強結(jié)構(gòu)，以保證固定連接處的性能強度。

圖7 支架拓?fù)鋬?yōu)化云圖

2.4 支架模型重構(gòu)

根據(jù)上述的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對支架進行局部重構(gòu)設(shè)計，如圖8所示。具體更改內(nèi)容如下：（1）斜板處加強筋更換為2根柱狀斜支撐結(jié)構(gòu)；（2）底部實板結(jié)構(gòu)更換為中空外實圈結(jié)構(gòu)；（3）方形頭部結(jié)構(gòu)更換為圓柱形連接結(jié)構(gòu)。

圖8 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化模型圖

2.5 支架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

由于未確認(rèn)拓?fù)渲貥?gòu)的模型性能水平，因此需要對拓?fù)鋬?yōu)化后的支架零件進行二次模擬分析，其模擬過程的約束條件、工況加載等參數(shù)和原模型保持一致，分析結(jié)果如圖9所示。

通過分析結(jié)果圖可知，拓?fù)鋬?yōu)化后支架最大應(yīng)力荷載為43.78MPa，最小變形位移為0.0188mm，相關(guān)性能參數(shù)均優(yōu)于原模型。與拓?fù)鋬?yōu)化前的原模型分析結(jié)果進行對比可知，支架拓?fù)鋬?yōu)化在保證力學(xué)性能的前提下，達到了預(yù)期減重的目的，優(yōu)化前后支架力學(xué)性能及重量如表2所示。

當(dāng)然，從以上分析結(jié)果可以看出，當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計仍較為保守，因而可以在此基礎(chǔ)上進一步減小支架主體結(jié)構(gòu)的壁厚及截面直徑，以此降低零件重量。優(yōu)化結(jié)果可再次使用上文所述方法進行校核，如此反復(fù)即可得到最優(yōu)解，對此文章不再贅述。

3 金屬打印成型

3.1 金屬3D打印成型

圖9 支架優(yōu)化模型應(yīng)力云圖及變形位移云圖

表2 支架優(yōu)化前后力學(xué)性能對比

經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化重構(gòu)設(shè)計后，該產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)多為空間放射狀的曲面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用傳統(tǒng)CNC加工方式成型，難度較大。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，以選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）為代表的金屬3D打印技術(shù)日益成熟，該技術(shù)可以達到自由成型金屬零件的目的，不受零件形狀的制約。通過高功率激光使合金粉末逐層融化、逐層凝固的方法來使零件成型，這種金屬3D打印技術(shù)可以突破傳統(tǒng)加工方法的限制，實現(xiàn)外表形狀和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬零件的自由制造，為拓?fù)鋬?yōu)化產(chǎn)品提供了新的成型方法。通過金屬打印的快速化試制，將拓?fù)鋬?yōu)化輕量化結(jié)果與金屬打印優(yōu)勢快速結(jié)合，真正實現(xiàn)零件的短周期、快速化研發(fā)試制，一定程度上提高了生產(chǎn)制造效率，降低了生產(chǎn)制造成本。

3.2 打印方案設(shè)計

文章推薦使用型號為德國Solutions SLM280的SLM成型設(shè)備對工業(yè)機器人支架進行打印制作，該設(shè)備結(jié)構(gòu)主要包括激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分，其采用IPG生產(chǎn)制造水冷冷卻方式的光纖激光器，額定功率為700W（雙激光），波長為1071nm，打印尺寸精度為0.1mm，表面粗糙度小于Ra12.5。

根據(jù)此零件的結(jié)構(gòu)特點，推薦采用316L不銹鋼粉末進行打印，該打印粉末材料的化學(xué)成分如表3所示。同時打印前進行配套打印基板及刮刀的準(zhǔn)備。規(guī)劃打印參數(shù)如下：光斑直徑為100μm，打印層厚40μm，激光功率為155W，掃描速度為1200mm/s，掃描間距為0.4mm，打印過程中艙室含氧量小于0.5‰，其余按照工藝參數(shù)設(shè)定值打印[6]。

表3 316L打印材料化學(xué)成分

金屬打印流程如圖10所示。零件打印完成后，去除打印零件的多余支撐結(jié)構(gòu)，在熱處理爐中進行800℃保溫2h的退火熱處理，去除零件的打印殘余應(yīng)力，經(jīng)熱處理后零件力學(xué)性能如表4所示。最后使用噴砂機對零件表面噴砂，即可得到最終成品。

表4 熱處理后力學(xué)性能

4 結(jié)論

工業(yè)機器人支架經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計重構(gòu)后，可在保證原有性能不變的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化，較未優(yōu)化前降重20%以上，拓?fù)鋬?yōu)化在工程設(shè)計領(lǐng)域作用巨大。拓?fù)鋬?yōu)化的產(chǎn)品一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)加工難以成型，利用3D打印技術(shù)可完美解決這一難題。

文章所述的3D打印技術(shù)特有的成型優(yōu)勢與拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)合，可顯著提高產(chǎn)品研發(fā)效率，降低產(chǎn)品制造成本，完成產(chǎn)品的快速成型試制，是一種新型的智能化、創(chuàng)新型技術(shù)解決方案。