ER 0 G re 直人华人氏共和国国家标准 GB/T 43148一2023 增材制造 ”结构轻量化设计要求 Additive manufacturing一人Requirements for lightweight structure design 2023-09-07 发布 2023-09-07 实施 GB/T 43148一2023 目 次 前言 1 翘半doseeeeorsesseaeaeeoeeeseoaaonnoneeoseoaeen rostheooeeaseao aaaeslooaseeosoeyorooiheoaogeoatenooeoeoroootsos 1 2 规范性引用文件 pe 3 术语和逢久ooeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee 4 结构轻量化设计总体要求 eeeoeeeoe ecoeeeeeeeosessessnseesssssss sensorsnsssosessoseossoosrooeesesoossoruoseesssoese 2 4.2 设计流程“ee 2 5 基于多孔结构的结构轻量化设计要求 3 5.1 三维点阵设计 3 5.2 ”其他多孔结构设计 3 5.3 ”梯度点阵设计 ee 6 基于拓扑优化的结构轻量化设计要求 pp 6.2 ”基于拓扑优化结构轻量化设计流程“pp 7 增材制造工艺约束设计要求 5 7.1 极限加工尺寸约其ee ee 7.2 ”县重约茧eoleee ee seoeeeeee see ee see eeeeee 人soso sonneososeeooseoesooeooeooeooseoe oooooodeeoeeeeeee 7.3 封闭空腔5 7.4 模型摆旗5 7.5 应方集中 eseeaeaeeasesaeaerneartraensoaeoseeednoadoaoaeesneaotorneosoooiosstasapoooetisiiasoathstoiageay 附录 A 资料性) 基于多孔结构的结构轻量化设计示意图 6 附录 B (资料性) 典理蜂窝结构及其力学性能 和10 附录 C (资料性) 基于拓扑优化的结构轻量化设计实例 pp 2 GB/T 43148一2023 前 言 本文件按照 GB/T 1.1一2020%标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则;的规定 起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国机械工业联合会提出。 本文件由全国增材制造标准化技术委员会(SAC/VTC 562)归口。 本文件起草单位 :南京理工大学 .广东汉邦激光科技有限公司、裕克施乐塑料制品(太仓)有限公司、 中机生产力促进中心有限公司、江苏徐工工程机械研究院有限公司.中国海洋大学.中机新材料研究院 郑州)有限公司 西安增材制造国家研究院有限公司、南京中科煜宕激光技术有限公司、云南增材佳唯 科技有限公司 .南京钱联激光科技有限公司`华南理工大学 .北京遥感设备研究所.中国航发商用航空发 动机有限责任公司湖南华电高科技股份有限公司`.中国机械总院集团江苏分院有限公司、国营芜湖机 械厂.杭州喜马拉雅信息科技有限公司 \西安交通大学 、华质卓越生产力促进(北京)有限公司.华中科技 大学 .西北工业大学.共享智能装备有限公司`.中国电子科技集团公司第十研究所、中航迈特粉治科技 (北京)有限公司。 本文件主要起草人:廖文和、`刘建业,张长东、胡焕波、薛莲、何冰、刘婷婷,刘永辉、.王欣、侯颖,华晨、 冯强.王林、王迪、.汪小明、侯慧鹏、曾维林、庄百亮`,划世伟、赵庆洋、郭文华.栗晓飞`.张李超、于君、 巩建强 .净德劲 .马腾。 T GB/T 43148一2023 增材制造”结构轻量化设计要求 1 范围 本文件规定了面向增材制造的结构轻量化设计总体要求.基于多孔结构和拓扑优化的轻量化设计 要求及其工艺约束设计要求。 本文件适用于面向增材制造的结构轻量化设计。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文 件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于 本文件。 GB/T 18784.2 CAD/VCAM 数据质量保证方法 GB/工 24734.4 技术产品文件“数字化产品定义数据通则 第4部分:设计模型要求 GB/T 35351 增材制造”术语 GB/T 37698 增材制造 ”设计 ， 要求、指南和建议 3 术语和定义 GB/T 35351 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 悬垂结构 “overhang structure 待制造模型中 ,沿重力方向无直接接触实体的悬空部分的结构 。 3.2 悬垂角 overhang angle 巧垂结构外切面与水平面的锐角夹角。 3.3 悬臂长度 length of overhanging beam 打印件悬垂结构等效为悬臂梁后的长度。 3.4 多孔结构 “porous structure 周期性或非周期性布置的三维开孔结构。 3.5 拓扑优化“topological optimization 一种根据负载情况 `约束条件、性能指标和增材制造工艺要求 ,在给定的区域内对材料分布进行优 化的结构轻量化设计方法。 1 GB/T 43148一2023 4 结构轻量化设计总体要求 4.1 通则 结构轻量化设计是在初始三维模型的基础上,充分考虑增材制造工艺约束 ,通过对模型进行多孔结 构 .拓扑优化等轻量化设计,形成适用于增材制造的轻量化结构 。 结构轻量化设计前应按照 GB/T 37698 的规定进行增材制造潜能评定,并判定是否需要进行结构 轻量化设计。 结构轻量化设计在满足设计初始减重需求的同时,还应满足工况性能要求。 4.2 ”设计流程 4.2.1 流程图 结构轻量化设计流程见图 1。 模型数据质量检测与修复 香 是否需要 -和 <全 是 EC 计多孔结构? 是 [RE 否，多孔结构设计 否，拓扑优化设计不 不符合工艺要求 是否符合 符合工艺要求 工艺要求? 征 图1 结构轻量化设计流程 4.2.2 ”模型输入及质量检测 结构轻量化设计前需对输入的模型进行数据质量检测和修复,以确保模型的数据质量符合 GB/TI 24734.4和 GB/T 18784.2 的要求,模型不应出现非流形 `面缺失、裂颖、.关向法向量、数据交错等 影响结构轻量化设计的错误数据。 2 GB/T 43148一2023 4.2.3 ”基本过程 结构轻量化设计首先需要对输入模型进行工况分析,随后根据分析结果判定是否需要进行拓扑优 化设计、多孔结构设计等轻量化设计,最后进行工艺约束条件检查 ,形成适合于增材制造的轻量化 .高性 能 满足工艺约束要求的结构 。 4.2.4 模型输出 完成轻量化设计的模型应能导入增材制造设备。 5 基于多和孔结构的结构轻量化设计要求 5.1 三维点阵设计 5.1.1 三维点阵胞元设计 三维点阵是周期拓扑有序的多孔阵列结构。常见的三维点阵胞元包括由杆和节点组成的析架胞 元以及三重周期极小曲面胞元等。其胞元的拓扑形态如图 2 所示。 -中_LA 四 LO 5 WO a) 榆架胞元 b) 三重周期极小曲面胞元 图2 常见三维点阵胞元示意图 基于三维点阵的结构轻量化设计是通过改变胞元形状`尺才以及杆的悬垂角等方法,得到满足力、 热性能要求的轻量化结构,设计的特征结构极限尺寸应满足增材制造成形工艺的要求。 5.1.2 ”三维点阵填充取向 应根据第 7 章的增材制造工艺约束设计要求,合理选择三维点阵结构的填充取向,减少悬垂结构。 三维点阵填充取向示意图见附录 A 中的图 A.1。 5.1.3 边缘点阵设计 三维点阵结构的边缘区域需尽可能保持胞元的完整性。边缘点阵填充设计示意图见图 A.2。 5.2 其他多孔结构设计 5.2.1 蜂窝结构设计 蜂窝结构指周期性布置的拓扑有序的二维开孔阵列板状结构。可选用三角形四边形.六边形、圆 形 .凹角六边形、双YV形,.手性结构.星形等蜂窒结构对模型进行轻量化设计。 宜充分考虑服役工况下结构的力学特性,基于结构-性能理论和经验公式进行峰窝结构设计。典型 3 GB/T 43148一2023 蜂窝结构及其力学性能的关联关系见附录 B。 5.2.2 ”泡沫结构设计 泡沫结构指胞元构型及排布方式无序的多孔结构。可通过逆向建模法、数学模型法设计泡沫结构 并填充模型 ,得到满足工况要求的轻量化结构 。 5.3 梯度点阵设计 宜根据三维点阵结构的工况条件 ,调整点阵胞元尺寸或拓扑构型 ,实现点阵结构密度的梯度调节 。 在满足轻量化设计目标的前提下 ,使结构的力、热等工况性能更优。梯度点阵结构的设计示意图见 图 A.3 。 6 基于拓扑优化的结构轻量化设计要求 6.1 概述 拓扑优化是结构轻量化设计的一种,通过数学建模,以结构轻量化为优化目标,在满足工况要求及 体积、增材制造工艺等约束的条件下 ,实现材料的最优分布。基于拓扑优化的结构轻量化设计流程图见 图 A.4。基于拓扑优化的结构轻量化设计实例见附录 C。 6.2 ”基于拓扑优化结构轻量化设计流程 6.2.1 模型预处理 对三维模型进行拓扑优化设计时,应确保模型文件具有可读性,能够通过拓扑优化软件或者程序读 入。宣通过预处理 ,去除倒角、倒圆角等特征,保证模型网格划分,防止在有限元分析过程中发生负体积 等错误。 6.2.2 ”划分设计域 根据设计要求 ,定义拓扑优化模型的设计域与非设计域。设计域为可优化的区域,非设计域为优化 过程中不发生变化的区域。零件配合处 .载荷与约束附近区域一般定义为非设计域。 6.2.3 ”边界条件 边界条件主要分为载荷条件和约束条件。载荷可分为集中力`压强、扭矩等,约束可分为固定部分 自由度 .匀接、完全固定等。应根据模型的实际工况 ,合理选择载荷、约束类型 。 6.2.4 数学模型 有限元分析计算的数学模型需尽可能贴切于现实物理环境,确保最优解。 6.2.5 有限元网格划分 有限元网格划分需尽可能保证网格数量足够大.网格体积足够小,确保有限元分析计算可以在多次 优化迭代中顺利进行,避免计算结果不收敛。 6.2.6 拓扑优化迭代 根据优化目标 .边界条件与载荷,对结构进行拓扑优化迭代计算 ,直至迭代收敛。 4 GB/T 43148一2023 6.2.7 ”模型后处理 得到优化结构后 ,宜将模型导出至三维建模软件平台,进行后处理,如光顺或模型错误修复等。 7 增材制造工艺约束设计要求 7.1 极限加工尺寸约束 结构轻量化设计的模型应满足可加工壁厚、最小截面.最小孔径、极小尖角等设计要求 。 7.2 悬垂约束 结构轻量化设计不应出现影响模型加工的悬垂结构。若无法避免,宜根据增材制造工艺类型.零件 结构 .零件性能要求 ,综合考虑成形时间及材料特性等因素,调整悬垂角、悬臂长度,设计哲外的工艺支 撑结构或变更模型设计,从而确保模型在加工过程中不会发生塌.出曲变形、表面质量下降等问题。 悬垂结构及悬垂结构优化设计方法见图 A.5 和图 A.6 。 7.3 封闭空腔 轻量化设计模型内部不应有封闭空腔结构。封团空腔结构可设计出粉孔,使空腔与外界连通。封 闭空腔示意图见图 A.7。 7.4 模型摆放 结构轻量化设计时应评估模型摆放角度.特征精度.强度指标对摆放方向的影响。可对模型中精度 要求高的部位添加余量,成形后通过机加工来保证该部位的精度。模型中精度要求高的平面区域或配 合面宜作为上表面,且需与加工平面保持平行。模型中精度要求高的曲面区域应垂直于加工平面,降低 阶梯效应对表面精度的影响。 7.5 ”应力集中 轻量化设计后的零件可能存在大块区域或厚度不均匀的结构 ,容易产生较大的结构应力。此外,尖 锐的内部拐角也会引起应力集中(或应力升高),导致零件过早失效。宜对结构轻量化设计后可能存在 的应力集中区域进行整体评估。 GB/T 43148一2023 附 录 A (资料性) 基于多孔结构的结构轻量化设计示意图 A.1 三维点阵填充取向 如图 A.1 所示,当三维点阵平行于成形方向填充,每个胞元支柱均存在水平悬垂结构; 当点阵与成 形方向呈角度 0 ,能够有效减少悬垂结构 。 挫 要 形 方 向 a) 边缘不完整点阵 b) 边缘完整点阵 图A.1 三维点阵填充取向示意图 A.2 边缘点阵设计 如图 A.2 所示,a)图 AB 区域边缘点阵形态不完整,使得相邻胞元未能够完全连接,结构上出现间 断,b)图中的边缘点阵形瑶较为完整 。 A | | | | | 成 | | | 向 1 1 | | | | | 避 a) “边缘不完整点阵 b) 边缘完整点阵 图A.2 边缘点阵填充设计示意图 A.3 梯度点阵设计 以悬臂梁为例 ,可根据结构应力分布 ,在高应力区域填充相对密度高的点阵胞元,低应力区域填充 相对密度低的点阵胞元,如图 A.3 所示 。 6 GB/T 43148一2023 密度 0 0.7 Do000 0.6 全 全 人,20202020204020呈020e0生 1 上 0 2 用 生生国生全二.直-二.起格直209896名 了 L | 0. 15 EN 0000 a) 悬臂梁边界条件 b) 拓扑优化密度分布图 c) 悬臂梁梯度点阵分布 图A.3 梯度点阵设计示意图 A.4 基于拓扑优化结构轻量化设计流程 基于拓扑优化结构轻量化设计流程图如图 A.4 所示。 | 拓扑优化 改变结构材料分布 终止条件 是 图A.4 基于拓扑优化结构轻量化设计流程图 A.5 悬垂结构 对于多数增材制造工艺 ,当模型中的悬垂角 v 低于一定门限值时,可考虑设计额外的工艺支撑结 构 ,否则模型在加工过程中会发生贡塌、普曲变形.表面质量下降等问题。该角度与选用的增材制造工 艺、材料.设备性能及模型尺寸相关。 7 GB/T 43148一2023 B C 和A /大 C 己 一 Z -了了---- LUH 标引符号说明 ， A一一成形方向; B一一悬垂角， C一一悬垂区域; D一一悬臂长度。 图A.5 悬垂结构示意图 A.6 悬垂结构优化设计 如图 A.6 所示 ,通过优化悬垂区域的形状,将悬垂圆孔设计为雨滴型自支撑孔,将阶梯状悬垂面设 计为渐变式自支撑曲面,可获得更好的零件成形表质量。 芋 A心 是 罗 AN G H ， IE》 D 卫 标引符号说明 A一一悬垂结构; B一一支撑结构; C一一原始结构; D一一设计方案 1 E一一设计方案 2; F一一悬垂圆孔 ,设计为雨滴型孔; G一一阶梯状悬垂面; 了一一阶梯状悬垂面,设计为自支撑曲面。 图A.6 悬垂结构优化设计示意图 A.7 ”封闭空腔 模型内部不宜有影响成形质量的封闭空腔结构,如图A.7 中忆所示,空腔与外界不连通,打印后容 易累积粉末材料且内部支撑结构无法去除。 8 GB/T 43148一2023 A 瑟 标引符号说明 : A一一三维模型 ; B一一封闭空坚 。 图A.7 ”封闭空腔示意图 9 GB/T 43148一2023 附 录 B 《资料性) 典型蜂窝结构及其力学性能 八种典型蜂罕结构及其力学性能见表 B.1。 表 B.1 八种典型蜂帘结构及其力学性能 典型蜂罕结构 力学性能 2V3L pr一 五、27 五三一一 V37 于二 ”3 V3cwnt 0Osl一人 / 2oyt 0s2 一一 V31 三角形 / 2 有 7 =lsov(二) 十Za 区 o41 (二) 十4 528 (二)十23.4 | 2 O一了 开一辽 7 一2 ”1 一2 Os 7 四边形 Pu一11.633 1M VCzz二1)十1)011.6527一8.882十6.11) Vc7 一入 0一厅/ 4V3瑟.1 As 3 () 十(下 0一2.3 3 (2 ) 几 2 2 Je “人(全) 二 3一8(二) 六边形 3/2 2 on一2.686o. (方) 二7.946c.(方) EX CRRDR 3 ee全 SSOONNE CC ad一0.183cwo十(0.81503十0.985p,一0.000 5)osV? Ci 7万 (7/D) mn二二(方) or十一ONT 圆形 去(万) 人 KGC VD) 10 GB/T 43148一2023 表B.1 八种典型蜂窝结构及其力学性能 〈续) 典型蜂窝结构 力学性能 ALL十2 人20cos0(L十sin0) _ (sin0一21/L)Lcosb一cos(0 一A0)] ” (AL一cosgu)[sinbg ,一sin(0一Ab)] 加 8csgo CAOD 和 16(0] 一cosbu)(Csin0s一27770) 人 8csgs (1 十4osCVOCAL二2)V? 回角六边形 “16C一cosgu)Csing 一2210) _ tsin0l 十sin0， ) 人 sin(O 一02) _aysSingicosgasin(O 一02)0r 办 2sin(0 一0 )? 四 COSO cosO) ” sin0sinb0， 下一20 0) 一 03 CQ 1 9UV2 siCsin0 十singy )V2? 双V形 一 COstSInCl Stn02 2 ad一和十 sin(O 一0 ) | 9 _ 2x[1+xCr/ 人 ZLI+4Cr/)引 9 |) 人 号 已.z/ 本硬是 上一OFSinO7CO7D 人 @ @ 品 Ran(Cr一20)8 sin0 本司司 人 1l6c(Ce一xsin0一8sin0) 必 上 人 panCr一20)psin0 op(axr二DTVsin0 手性结构 “4 16c(a一xsin bg一psin 0) a(2a一58sin 0) 四 1(1十47/) 人71二2V50sinCr/4一0 2瑟.8; ” (5一6singcosg)十4(1十yw)k82 十382 _ (3一10sin0cos0)一8(1十愉 )k8 sin0cos0十487 sin0cos0 “ (5一6singcosb) 十4C1十只)k82 十383 星形 注: 其中等式左侧,o,为相对密度,E 为弹性模量,， 为泊松比,a,为面内尊态/准表态抗压强度,o 为蜂窗点阵水 平方向的抗压强度 ,cs 为垂直方向的抗压强度 ,cs为面内动态抗压强度, Pu为面外平均压缩力,cn为面外动 态抗压强度 。 11 GB/T 43148一2023 附 录 C (资料性) 基于折扑优化的结构轻量化设计实例 C.1 模型预处理 图 C.1 a)为 CAD 软件设计的三维初始模型,具有倒角 、倒圆角等工艺特征 ,经过预处理的简化模型 去除了微小特征[图 C.1 b)]。 a) “初始模型 b) 简化模型 C.1 初始模型与简化模型 C.2 ”划分设计域 如图 C.2 所示 ,模型 A 区域表示为设计域,B 区域为非设计域。 人 也 标引符号说明 A一一设计域; B一一非设计域。 C.2 ”设计域示意图 C.3 确定边界条件 如图 C.3 所示 ,对轴承孔 A 施加向下 100 N 的集中载荷,对螺栓孔 B 施加完全固定的位移约束。 12 GB/T 43148一2023 | 也 标引符号说明 : A一一载荷; B一一位移约束。 图 C.3 边界条件与载荷 C.4 建立拓扑优化数学模型 以提高结构刚度为例,建立的拓扑优化数学模型如图 C.4 所示。其中,C 代表结构柔顺度,K 代表 全局刚度矩阵,U 代表人位移, ” 代表设计人员设定的期望体积,w 代表第; 个单元体的体积,z, 代表 第; 个单元体的状态,z; =0 代表单元体不存在,z;=1 代表单元体存在。 find 1大29 ”9 min CEFKG st 下局一下 zy 一V <二 0 zi;一0或1 图 C.4 拓扑优化数学模型 C.5 有限元网格划分 有限元网格划分如图 C.5 所示。 图C.5 有限元网格划分示意图 13 GB/T 43148一2023 C.6 拓扑优化迭代 拓扑优化选代如图 C.6 所示。 PE ) | 图C.6 拓扑优化迭代 C.7 ”模型后处理 模型后处理如图 C.7 所示,即为基于拓扑优化结构轻量化设计结果。 模型后处理 ES 图 C.7 ”模型后处理 14