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【TechNow】Abaqus增材仿真Part2:Abaqus和Tosca助力产品创新

2018-05-16 18:52 来源: 作者江冰韵

1.3D打印

增材制造(AM)更为流行被称为3D打印,其能够给设计师自由的创造他们梦想的产品并得以实现,并作为一种替代传统的制造方法逐渐被理解和接受。其无缝连接的结构稳定性、复杂零件的制造性能和轻量化等,使得产品部件不仅质轻、刚度硬,且具备很高的功能。比如,具有复杂管道的喷气发动机喷嘴、飞机轻量化支架、医学多孔植入物、栅格状赛车部件,以及其他很多已经在使用的超功能模型。

设计工程师每天都要面对:

零件的功能目标是什么?

是否能够使零件功能不变只需较少的材料?

是否能够设计最优增材零件以节约打印成本?

以上几个问题导致产品在满足功能需求的同时更为复杂、灵活和轻量化。由于设计不再受制于减材制造,使得零件设计工程师能够从容回答以上问题,并且在很大程度上,仿真模拟技术的飞速发展为多物理场优化分析和预测提供了极大的指导帮助。

【TechNow】Abaqus增材仿真Part2:Abaqus和Tosca助力产品创新

2.拓扑优化

一项关键仿真模拟技术被用于AM零件的设计,即拓扑优化(TopologyOptimization),其能够极大地缩短零件的设计周期。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案,即“好钢用在刀刃上”,拓扑优化特别适合增材制造的零件设计,把材料只用在需要的地方。

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传统的优化设计不同的是,拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义,用户只需要给出结构的参数(材料特性、模型、载荷等)和要省去的材料百分比。拓扑优化能够对设定的设计空间进行优化材料分配(如下图),同时考虑到存在的约束条件,比如边界条件(固定、预紧力和载荷)、加工条件(冲压、锻造)和几何条件(对称、轴对称、循环对称等)。

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针对拓扑优化,达索公司的Tosca能够为工程师提供更为灵活、创意和快捷的结构设计,Tosca作为通用非线性优化工具,能够提供强健的拓扑优化方法。如上图所示,Tosca基于Abaqus的非线性求解,设定设计空间和约束后,使用最少的材料自动优化出满足功能需求的具有创意的零部件。

3.Tosca优化和Abaqus分析

Tosca已经广泛应用在传统的加工行业,比如铸造和注塑零件,那么对增材制造加工(AM),Tosca能否给予特别的考虑?结合下图的航空火箭用电路盒优化和分析过程作具体说明。如今,发射1磅材料到太空的平均花费成本约10,000美金,所以轻量化电路盒是一个关键优化目标,使用拓扑优化研究方法优化出结构,并通过Abaqus仿真验证其强度功能,然后采用熔融沉积成型(FDM)工艺3D打印出此复杂零件。

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很多情况下,AM零件和传统加工零件共存在装配产品中,在Tosca中可对这些AM零件区域和限制界面进行冻结(包括预应力)或从设计空间排除;同时,设定最小的优化几何截面尺寸以满足打印精度——对于FDM打印工艺,最小截面尺寸应该大于打印粒子以真实展现优化表面。

基于以上考虑,在多个体积响应的约束下进行设计研究,最终实现了减重30%,且经过最终的Abaqus仿真,验证了优化结构能够满足性能要求。

4.结构重构

拓扑优化的几何经常会含有尖角区、孤岛区或细纹面等,需要通过光顺(Smoothing)操作对此几何进行清理以生成满意的零件便于打印。

此外,拓扑优化后的几何和原始几何失去了关联性,使得手工重构最终模型需要花费大量的时间,这也是拓扑优化技术没有被广泛推广的一大障碍,好在最近发布的Tosca2017版,有了重大功能解决这一问题。Tosca采用细分表面(subdivisionsurfaces)把优化的几何转换为点和面并导入到CAD软件,比如CATIA、UG等,不需要STL格式文件。这一技术彻底地简化了几何重构过程,节约了极大的时间成本。

惊艳吧!颤抖吧!采用大量的简化面信息,CAD软件中的先进表面修改工具被用于创建优化形状。如下图所示,几何特征和参数使其能进一步被参数化形状研究。

5.总结

基于拓扑优化的增材制造使设计师自由驾驭模型而不受制造约束,推进了下一代加工革命,功能强大的非线性和非参拓扑优化工具Tosca非常适时于这一变革。

【TechNow】Abaqus增材仿真Part2:Abaqus和Tosca助力产品创新

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6.补充知识

航空航天工业一直是增材制造的先驱,如今已在零配件、工业模型、复杂结构、建筑设计、医疗辅助、动漫模型等领域有了极大的应用,尤其是高端精密机械、汽车以及相关联的模具行业,3D打印技术的应用价值主要有:1)概念建模:3D打印技术能迅速将设计创意转变为实物模型,特别针对复杂结构的制作;2)原型测试:利用3D打印高性能及高机械强度的工程级材料使得企业内部可以快速制作产品或零部件原型并进行匹配度、功能性测试;3)直接数字制造(DDM):直接数字制造是通过3D打印生产级别材料直接制造最终产品。

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