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一种基于水平集的连续扫描路径优化方法,用于减少金属添加剂制造中的残余应力和变形。 (英语) Zbl 1441.74154号

概述:金属熔化和凝固过程中固有的热残余应力和变形是激光粉末床熔化和定向能量沉积等金属添加剂制造(AM)技术中结构失效的主要原因。为了确保针对残余应力/变形的构建质量,需要为需要构建的给定几何体定制扫描路径。由于不均匀传热和机械约束,移动热源引入的局部变形是各向异性的,因此扫描路径会显著影响零件内的残余应力。针对热残余应力/变形的抑制,提出了一种基于水平集的扫描路径优化方法。开发该方法是为了实现几何定义良好的零件的逐层连续扫描路径优化。为了提高优化效率,采用了一种称为固有应变法的快速过程模拟方法来模拟热残余应变。提出了一种称为自适应水平集调整(ALSA)的新策略,以弥补忽略不可实现敏感项的不足。通过几个数值算例验证了所提出的连续扫描路径优化方法和ALSA策略的有效性。最后,研究了同时扫描路径和结构优化的并行设计场景,以证明进一步的残余应力降低。

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第74页第15页 固体力学优化问题的拓扑方法
49J10型 两个或多个自变量自由问题的存在性理论
49平方米25 最优控制中的离散逼近
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全文: 内政部

参考文献:

[1] 克里斯特尔斯,S。;克雷格斯,T。;Kruth,J.-P.,《SLM工艺优化的先验工艺参数调整》,(《虚拟和物理样机的创新发展》(2012),Taylor&Francis Group),553-560
[2] Mertens,R。;克里斯特尔斯,S。;肯彭,K。;Kruth,J.-P.,《具有下表面区域的铝零件选择性激光熔化中扫描策略的优化》,《制造科学杂志》。工程,136,第061012条pp.(2014)
[3] Kruth,J.-P。;Deckers,J。;Yasa,E。;Wauthlé,R.,使用新的分析方法评估和比较选择性激光熔化中残余应力的影响因素,Proc。仪器机械。工程B,226980-991(2012)
[4] 卢,Y。;Wu,S。;甘,Y。;黄,T。;杨,C。;Junjie,L。;Lin,J.,通过不同岛扫描策略制造的SLM Inconel-718合金的微观结构、力学性能和残余应力研究,Opt。激光技术。,75, 197-206 (2015)
[5] 戴,K。;Shaw,L.,《通过控制激光扫描模式使激光处理部件的变形最小化》,《快速原型》。J.,8270-276(2002)
[6] Denlinger,E.R。;Gouge,M。;欧文,J。;Michaleris,P.,激光粉末床聚变过程的热力学模型开发和现场实验验证,Addit。制造,16,73-80(2017)
[7] Bo Cheng,S.S。;Chou,Kevin,选择性激光熔化中扫描策略效应的应力和变形评估,Addit。制造(2017)
[8] Foroozmehr,E。;Kovacevic,R.,《路径规划对激光粉末沉积过程的影响:热和结构评估》,国际先进制造技术杂志。,51, 659-669 (2010)
[9] 艾哈迈德·侯赛因,L.H。;严春泽;Richard Everson,选择性激光熔化中无支撑单层温度场和应力场的有限元模拟,Mater。设计。(2013)
[10] 丁·D。;潘,Z.S。;Cuiuri,D。;Li,H.,电线和电弧添加剂制造的工具-路径生成策略,国际先进制造技术协会。,73, 173-183 (2014)
[11] 卡罗尔,B.E。;Palmer,T.A。;Beese,A.M.,用定向能量沉积添加剂制造Ti-6Al-4V组件的各向异性拉伸行为,材料学报。,87, 309-320 (2015)
[12] 丁·D。;潘,Z。;Cuiuri,D。;Li,H.,薄壁结构线和弧增材制造的实用路径规划方法,机器人。计算-集成。制造,34,8-19(2015)
[13] 丁·D。;潘,Z。;Cuiuri,D。;李,H。;van Duin,S。;Larkin,N.,导线和电弧添加剂制造中自适应MAT路径的Bead建模和实现,机器人。计算-集成。制造,39,32-42(2016)
[14] Ponche,R。;科尔布拉特,O。;莫格诺尔,P。;Hascoet,J.-Y.,《应用于可添加激光制造工艺的可添加制造的新型设计方法》,机器人。计算-集成。制造,30389-398(2014)
[15] D.E.Smith,R.Hoglund,《聚合物熔融填充制造的连续纤维角拓扑优化》,年。国际固体自由。Fabr公司。交响乐团。德克萨斯州奥斯汀,2016年。
[16] 刘杰。;刘杰。;Yu,H。;Yu,H.,用于增材制造的并行沉积路径规划和结构拓扑优化,快速原型。J.,23,930-942(2017)
[17] 夏,Q。;Shi,T.,通过Shepard插值对纤维角连续空间变化的复合材料结构进行优化,Compos。结构。,182, 273-282 (2017)
[18] Kiyono,C。;西尔瓦,E。;Reddy,J.,一种基于具有连续变化光纤路径的正态分布函数的新型光纤优化方法,Compos。结构。,160, 503-515 (2017)
[19] 布兰普顿,C.J。;Wu,K.C。;Kim,H.A.,使用水平集方法的新型转向纤维复合材料优化方法,结构。多磁盘。优化。,52, 493-505 (2015)
[20] 刘杰。;To,A.C.,沉积路径规划-受自支撑约束的3D附加制造的集成结构拓扑优化,计算。辅助设计。,91, 27-45 (2017)
[21] 沈,H。;Fu,J。;陈,Z。;Fan,Y.,《通过水平集方法生成数控加工刀具轨迹的偏置曲面》,国际先进制造技术杂志。,46, 1043-1047 (2010)
[22] 庄,C。;熊,Z。;Ding,H.,《使用水平集生成凹槽的高速加工刀具路径》,《国际生产研究杂志》,48,5749-5766(2010)·Zbl 1197.90187号
[23] 张,P。;刘杰。;To,A.C.,各向异性特性在加性制造承重结构拓扑优化中的作用,Scr。材料。,135, 148-152 (2017)
[24] X.Liang,Q.Chen,L.Cheng,Q.Yang,A.To,一种用于快速预测金属零件附加制造中残余变形的修正固有应变方法,载于:2017年德克萨斯州奥斯汀市固体自由制造研讨会论文集,2017年。
[25] 陈,Q。;X·梁。;海杜克,D。;刘杰。;Cheng,L。;奥斯金,J。;惠特莫尔,R。;To,A.C.,一种基于固有应变的多尺度建模框架,用于模拟直接金属激光烧结的零件尺度残余变形,Addit。制造,28,406-418(2019)
[26] 戴,K。;Shaw,L.,多材料激光加工的热和应力建模,材料学报。,49, 4171-4181 (2001)
[27] 傅,C。;郭莹,Ti-6Al-4V选择性激光熔化中的三维温度梯度机制,《制造科学》杂志。工程,136,第061004条pp.(2014)
[28] Prabhakar,P。;Sames,W.J。;Dehoff,R。;Babu,S.S.,Inconel 718电子束熔化过程中残余应力形成的计算模型,Addit。制造,783-91(2015)
[29] Denlinger,E.R。;Irwin,J。;Michaleris,P.,《添加剂制造大零件的热机械建模》,《制造科学杂志》。工程,136,第061007条pp.(2014)
[30] 上田,Y。;福田,K。;Nakacho,K。;Endo,S.,一种借助有限元法和估计值可靠性测量残余应力的新方法,海军建筑学会。日本,1975,499-507(1975)
[31] 希尔,M.R。;Nelson,D.V.,《残余应力测定的固有应变法及其在长焊接接头中的应用》,ASME-PUBLICATIONS-PVP,318,343-352(1995)
[32] Murakawa,H.(村川,H.)。;罗,Y。;Ueda,Y.,《基于固有应变的弹性有限元法预测焊接变形和残余应力》,J.Soc.Naval Archit。日本,1996,739-751(1996)
[33] 袁,M。;Ueda,Y.,《使用固有应变预测焊接T型和I型接头中的残余应力》,J.Eng.Mater。Technol公司。事务处理。ASME,118229-234(1996)
[34] 张,L。;Michaleris,P。;Marugabandhu,P.,《焊接变形预测的应用塑性应变方法评估》,《制造科学杂志》。工程,1291000-1010(2007)
[35] X·梁。;Cheng,L。;陈,Q。;杨琼。;To,A.,从详细工艺模拟估算固有应变的修正方法,用于快速预测定向能量沉积制备的单壁结构的残余变形,Addit。制造,23,471-486(2018)
[36] N.Keller,V.Ploshikhin,《快速预测AM零件残余应力和变形的新方法》,见:《固体自由制造研讨会》,德克萨斯州奥斯汀,2014年,第1229-1237页。
[37] 布加蒂,M。;Semeraro,Q.,固有应变法在模拟粉末床熔化过程中的局限性,Addit。制造,23329-346(2018)
[38] Cheng,L。;X·梁。;Bai,J。;陈,Q。;莱蒙,J。;To,A.,关于在激光粉末床金属添加剂制造中利用拓扑优化设计支撑结构以防止残余应力引起的构建失效,Addit。制造(2019年)
[39] Osher,S。;Sethian,J.A.,《以曲率相关速度传播的前沿:基于哈密尔顿-雅可比公式的算法》,J.Compute。物理。,79, 12-49 (1988) ·Zbl 0659.65132号
[40] Wang,M.Y。;王,X。;郭,D.,结构拓扑优化的水平集方法,计算。方法应用。机械。工程,192,227-246(2003)·Zbl 1083.74573号
[41] Allaire,G。;Jouve,F。;Toader,A.-M.,《使用灵敏度分析和水平集方法进行结构优化》,J.Compute。物理。,194, 363-393 (2004) ·兹比尔1136.74368
[42] Wang,Y。;罗,Z。;康,Z。;Zhang,N.,一种基于多材料水平集的拓扑和形状优化方法,计算。方法应用。机械。工程,2831570-1586(2015)·Zbl 1423.74769号
[43] 邓宁,P。;C.布兰普顿。;Kim,H.,使用水平集方法同时优化结构拓扑和材料级配,Mater。科学。技术。,31, 884-894 (2015)
[44] 刘,P。;罗,Y。;Kang,Z.,通过XFEM和水平集方法考虑界面行为的多材料拓扑优化,计算。方法应用。机械。工程,308113-133(2016)·兹比尔1439.74290
[45] 刘杰。;陈,Q。;郑毅。;艾哈迈德·R。;Tang,J。;Ma,Y.,基于水平集的异构对象建模与优化,计算。辅助设计。(2019)
[46] 刘杰。;陈,Q。;X·梁。;To,A.C.,增材制造的制造成本约束拓扑优化,Front。机械。工程,14,213-221(2019)
[47] 康,Z。;Wang,Y.,基于材料密度和水平集组合描述的嵌入式活动孔集成拓扑优化,计算。方法应用。机械。工程,255,1-13(2013)·Zbl 1297.74092号
[48] 邓宁,P.D。;Alicia Kim,H.,基于水平集的结构拓扑优化的新孔插入方法,国际。J.数字。方法工程,93,118-134(2013)·Zbl 1352.74236号
[49] Sethian,J.A.,《单调前进前沿的快速行进水平集方法》,Proc。国家。阿卡德。科学。,93, 1591-1595 (1996) ·Zbl 0852.65055号
[50] Sethian,J.A.,《水平集方法和快速推进方法:计算几何、流体力学、计算机视觉和材料科学中的进化接口》(1999),剑桥大学出版社·Zbl 0973.76003号
[51] Le,C。;诺拉托,J。;Bruns,T。;哈,C。;Tortorelli,D.,continua基于应力的拓扑优化,结构。多磁盘。优化。,41, 605-620 (2010)
[52] 竹泽,A。;Yoon,G.H。;Jeong,S.H。;Kobashi先生。;Kitamura,M.,强度和热传导约束下的结构拓扑优化,计算。方法应用。机械。工程,276341-361(2014)·Zbl 1423.74762号
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