摘要：

增材制造技术通过整合设计,材料以及加工过程,从根本上改变了结构的设计和制造方式.对于增材制造中的零件结构设计方法,因增材制造高制造自由度的特点,结构的设计可以更多样,本文分别从整体化设计和轻量化设计两个方面进行了面向增材制造的结构设计方法的研究. 首先,以安全带收紧器组件整体化设计为目标.在整体化设计方法的研究中,详细的分析了组件中的各个零件的作用,功能和相对关系.在确定可整合零部件的步骤中,根据分析结果中的主要因素提出了一种运用装配矩阵确定可整合零部件的计算方法.而后,结合拓扑优化对可整合零件进行了整体化设计.经仿真,在结构体积近似的情况下,整体化设计相较于原装配式设计具有更好的刚度和整体稳固性.其中,提出的确定可整合零部件的计算方法便于利用建模软件进行边界自动检测,其可更快速的确定可整合零部件. 其次,以一种机翼辅助工装轻量化设计为目标.在轻量化设计方法的研究中,通过对工装进行拓扑优化获得了工装的第一次优化构型.在第一次优化构型的基础上,对工装进行了蜂窝结构填充的轻量化填充设计.其中在轻量化填充设计中,由于普通正六边形的蜂窝结构面内承载能力较弱,通过分析其承载能力较弱的原因,提出了一种基于拓扑优化的加强单胞设计方法和构型.经仿真,加强单胞的角点位移在等材料用量的情况下较普通蜂窝单胞最少减少了76%,而填充了加强单胞的工装相比填充了普通蜂窝结构的工装实现了在更好的保证结构刚度的情况下减重22%的效果. 由于设计的结构要通过增材制造进行加工,本文从构建方向的角度进行了待打印零件的优化方法研究.将支撑结构的材料用量,模型整体高度作为打印成本的主要组成来建立建造方向和打印成本的关系.同时,从几何角度细化了增材制造中阶梯效应的形成过程,建立了考虑两个打印方向的表面质量关系式.通过两个关系建立了待打印零件的多目标优化模型,并分别对包含整体化设计构型在内的两个模型进行了优化.在优化的结果上,对于优化解集中建造方向倒置摆放的问题,对倒置现象进行了分析和量化,提出了一种稳定性指标及其建立方法.通过结合稳定性的目标对两个模型进行综合优化,综合优化的结果有效的避免了建造方向倒置的摆放形式,实现了在模型构建方向更稳定的情况下缩短打印时间,降低阶梯误差.

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