用于多功能组件的增材拓扑优化制造方法

用于多功能组件的增材拓扑优化制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于多功能组件的增材拓扑优化制造。一种计算设备包括处理器，其可在与组件关联的多个约束上操作，并且跨包括增材制造约束的多个变量将所述约束与设计优化方法集成在一起以生成用于所述组件的规格。可以依照所述规格来制作所述组件。
【专利说明】用于多功能组件的增材拓扑优化制造
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年3月15日提交并且题为"Additive Topology Optimized Manufacturing For Multi-Functional Components，'的美国临时申请No. 61/792, 734 的优 先权，其整个内容通过引用被结合。

【背景技术】
[0003] 增材制造（AM)已在过去二十年中被研究并且当前已受到广泛关注。已使用各种 打印技术（例如三维或3D打印技术）来生产部件。例如，薄板焊接、焊丝焊接、在粉末床中 的熔化或经由激光和电子束熔化的粉末沉积以及使用粉末的注入全都已被使用。这些技术 具有不同程度的几何复杂性，但与常规的机械加工相比一般地几乎没有约束。冷喷涂的使 用也正与增材制造相联系地被考虑。每种类型的技术都有与它关联的优点和缺点，尤其是 相对于固态处理、细粒结构以及机械特性而言。
[0004] 单独地，计算机技术和优化技术可以被用于基于诸如刚性、重量以及应力的一个 或多个准则或参数来优化组件的设计。所述组件常常具有难以或者不可能通过常规机械加 工生产的复杂特征。


【发明内容】

[0005] 本公开内容的实施例针对包括以下步骤的方法：通过包括处理器的计算设备来接 收与组件关联的多个设计约束和制造约束，所述设计约束包括所述组件的期望质量并且所 述制造约束包括由所述组件将通过其来制造的制造技术所强加的约束；通过所述计算设备 跨多个变量根据设计优化方法来集成所述设计约束和所述制造约束以生成候选组件规格； 以及通过所述计算设备来执行表面优化以根据所述设计约束中的变化来优化所述候选组 件规格以生成用于所述组件的最终规格。
[0006] 本公开内容的实施例针对包括以下各项的装置：至少一个处理器以及具有存储 在其上的指令的存储器，所述指令在被所述至少一个处理器执行时使所述装置执行以下操 作：接收与组件关联的多个设计约束和制造约束，所述设计约束包括所述组件的期望质量 并且所述制造约束包括由所述组件将通过其来制造的制造技术所强加的约束；跨多个变量 根据设计优化方法来集成所述设计约束和所述制造约束以生成候选组件；以及执行表面优 化以根据所述设计约束中的变化来优化所述候选组件规格以生成用于所述组件的最终规 格。
[0007] 本公开内容的实施例针对包括以下步骤的方法：通过包括处理器的计算设备来接 收待修理的组件的指示，以及通过所述计算设备来执行形状优化以通过优化母材料与修理 材料之间的界面位置并且设计过渡以计及材料特性的差异来优化用于所述组件的规格。
[0008] 本公开内容的实施例针对用处理指令编码以使用一个或多个处理器来实现本文 中所描述的方法中的一个或多个的计算机可读介质。
[0009] 本公开内容的实施例针对依照本文中所描述的方法中的一个或多个制作的成品。
[0010] 另外的实施例在下面被描述。

【专利附图】

【附图说明】
[0011] 本公开内容通过举例的方式来示意，而不限制于附图，在所述附图中同样的参考 标号指示类似的元件。
[0012] 图1是依照一个或多个实施例示意了示例性计算系统的示意性框图；
[0013] 图2依照一个或多个实施例示意了示例性方法的流程图；
[0014] 图3依照一个或多个实施例示意了使用冷喷涂工艺沉积的材料的截面；
[0015] 图4依照一个或多个实施例示意了用于增材拓扑优化制造工艺的框架和流程图；
[0016] 图5A依照一个或多个实施例示意了为设计优化方法集成多个模型的架构；
[0017] 图5B依照一个或多个实施例示意了示例性多模型集成方法的流程图；
[0018] 图6依照一个或多个实施例示意了托架和所施加的动态负载；
[0019] 图7示意了在图6的托架的主要故障位置处的应力梯度或过渡的预测。
[0020] 图8A-8B依照一个或多个实施例示意了用于使用优化框架来设计图6的托架的示 例性方法的流程图；
[0021] 图9A-9D依照一个或多个实施例示意了用于喷涂遵循弯曲的喷涂路径的部件的 喷嘴以及遵循弯曲的喷涂路径所创建的腿；
[0022] 图10A-10H依照一个或多个实施例示意了沉积物；
[0023] 图11A-11G依照一个或多个实施例示意了冷喷涂的沉积物；
[0024] 图12A-12C依照一个或多个实施例示意了设计空间；
[0025] 图13依照一个或多个实施例示意了在图12的设计空间内部的拓扑优化结果；
[0026] 图14A-14E依照一个或多个实施例示意了用于制作组件或设备的设计进程；
[0027] 图15A-15B依照一个或多个实施例示意了针对冷喷涂增材制造所解释的、对于图 14A-14E的组件/设备的结果得到的拓扑优化；
[0028] 图16A-16B依照一个或多个实施例示意了就在喷涂以及随后的后机械加工之后 的图14A-14E的组件/设备；
[0029] 图17A-17G依照一个或多个实施例与网格相联系地示意了厚度改变与成角度的 变形距离之间的三角关系；
[0030] 图18A-18C依照一个或多个实施例示意了冷喷涂沉积物截面和变形以表示扩大 沉积物角度的冷喷涂过程；
[0031] 图19依照一个或多个实施例示意了应用于单材料形状优化的变形；
[0032] 图20依照一个或多个实施例根据形状优化结果示意了最优重量与最优最大主应 力表示之间的有效边界表示；
[0033] 图21依照一个或多个实施例示意了初始部件以及经受不同的最大主应力约束的 形状优化的部件；
[0034] 图22A-22B依照一个或多个实施例示意了针对增材制造工艺的拓扑优化概念解 释；以及
[0035] 图23依照一个或多个实施例示意了示例性方法的流程图。

【具体实施方式】
[0036] 应注意的是，在以下描述中以及在附图（其内容通过引用的方式被包括在本公开 内容中）中的元件之间的各种连接被阐述。应注意的是，这些连接一般地并且除非另外规 定，可以是直接的或间接的并且本说明书不是旨在在这方面为限制性的。在这方面，实体 (entity)之间的稱合可以或者指直接连接或者指间接连接。
[0037] 装置、系统以及方法的示例性实施例被描述以促进增材拓扑优化制造（ATOM)。 ATOM可以组合一个或多个设计工具（例如拓扑优化）和增材制造技术的特征来产生好于在 单独使用任一工具/技术的情况下的集成结果。在一些实施例中，为了实现最大的回报，设 计工具可以在优化中结合增材制造技术或工艺的特征，并且基于优化的结果来选择增材工 艺。另外地，对于包括例如强度要求、摩擦学要求以及重量要求的多功能组件并且在有可能 从一种材料到另一种材料对结构进行分级以更好地按需定制这些特性的情况下，可以在一 个或多个算法中提供灵活性以计及变化。
[0038] ATOM可以包括本文中所描述的特征中的任一个，并且可以提供相对于常规设计和 制造工艺被改进的集成结果。例如，ATOM的使用可以生成比能够单独由增材制造工艺生产 的组件更轻、更强并且性能更好的组件。
[0039] 参考图1，示例性计算系统100被示出，其实现了根据本发明的各个方面的设计工 具和/或拓扑优化。系统100被示出为包括存储器102。存储器102可以存储数据104。存 储器102可以存储被用于实现根据本发明的各个方面的拓扑优化的可执行指令。可以按任 何方式并且以任何抽象水平，诸如与一个或多个过程、例程、程序、方法等相联系地存储或 者组织所述可执行指令。作为示例，所述指令的至少一部分在图1中被示出为与第一程序 106a和第二程序106b关联。
[0040] 在存储器102中存储的指令可以由诸如处理器108的一个或多个处理器执行。处 理器108可以被耦合到一个或多个输入/输出（I/O)设备110。在一些实施例中，（一个或 多个）I/O设备110可以包括键盘或小键盘、触摸屏或触摸面板、显示屏、麦克风、扬声器、鼠 标、按钮、遥控器、操纵杆、打印机、电话或移动设备（例如智能电话）、传感器等中的一个或 多个。（一个或多个）I/O设备110可以根据本发明的各个方面被配置成提供接口以允许用 户在规格生成时与系统100交互。
[0041] 如图所示，规格被传输至根据该规格来执行AM技术以便创建成品的AM机器120。 虽然不在所有方面被要求，但AM机器120能够包括解释规格的处理器，并且AM机器120控 制使用机器人、打印机、激光器等来施加材料的其他元件将材料添加为层或涂层以生产AM 成品。AM机器120能够手动地接收规格，诸如在终端用户将规格重新输入或者上传到AM机 器120中的情况下，或者经由有线和/或无线网络数字地接收规格。虽然被示出为系统100 的部分，但应理解的是，AM机器120能够与系统100分开，诸如在AM机器120处于与系统 100的生成规格的元件分开的位置上的情况下。
[0042] 系统100是示意性的。在一些实施例中，实体中的一个或多个可以是可选的。在 一些实施例中，可以包括未示出的另外的实体。例如，在一些实施例中，系统100可以与一 个或多个网络关联，即这样以便与执行拓扑优化的工具进行通信以优化使用ATOM来创建 组件的制造。在一些实施例中，可以按不同于图1所示的方式布置或者组织实体。图1所 示的实体中的一个或多个可以与本文中所描述的设备或实体中的一个或多个关联。
[0043] 现转向图2,示例性方法200的流程图被示出。可以与诸如本文中所描述的那些 (例如图1的系统100)的一个或多个组件、设备或系统相联系地执行方法200。方法200 可以被用于为一个或多个组件获得最优设计。可以依照该设计来制造这样的组件。
[0044] 在块202中，可以针对组件标识一个或多个约束（例如制造约束、环境约束、使用 约束等）。例如，以下各项中的一个或多个可以作为块202的部分被标识：组件的维度、表 面、视线、角度（例如最小或最大角度）、垂直表面与相邻表面之间的角度、容差以及工具特 征（tooling feature)或约束。
[0045] 在块204中，可以生成设计。设计可以基于块202的约束。例如，作为块204的部 分，可能地作为迭代算法的部分，可以使多个变量变化，以跨这些变量来标识全局最优的设 计。所述变量可以与一个或多个模型关联，诸如可以与例如组件的功能性或组件的制作有 关的一个或多个基于物理的模型。可以依照诸如可靠性、性能、复杂性以及成本的一个或多 个因素或参数来确定最优设计。
[0046] 在块206中，可以针对多功能使用来优化设计。例如，在待用作喷气发动机涡轮 盘的组件的背景下，它可以是让在盘的边缘处的粗微结构减轻所谓的"蠕变性能"的第一要 求。另一方面，第二要求可以是让在盘的内径或中心处的细微结构减少盘破裂的可能性。因 此，本公开内容的各个方面可以被用于获得能够适应两个（对立）要求的盘设计。
[0047] 在块208中，可以生成和/或输出一个或多个规格（例如输出到一个或多个I/O设 备110)。块208的规格可以基于一个或多个输入，诸如与上面所描述的块202-206中的一 个或多个关联的数据或信息。块208的规格可以包括一个或多个处理规格、制造或装配规 格、使用规格等。取决于最终使用，能够用电子方法或者使用印刷的规划图（printed plan) 来存储这样的规格。
[0048] 在块210中，可以依照块208的规格来制作组件。
[0049] 在块212中，可以在成品上实现块210的所制作的组件，所述成品诸如为航空器的 总成或航空器本身。
[0050] 方法200是示意性的。在一些实施例中，块或操作中的一个或多个（或其部分） 可以是可选的。在一些实施例中，可以包括未示出的另外的操作。在一些实施例中，操作可 以按不同于所示出的次序或顺序执行。
[0051] 本公开内容的实施例可以提供实现多尺度/多物理场（multi-physics)模拟代码 的集成以针对增材制造的组件执行结构优化设计的优化框架。该框架可以首先利用拓扑优 化针对概念性设计使刚性最大化，同时可以使用形状优化获得细化。冷喷涂可以被选择为 增材制造工艺并且可以在优化方案中标识和包括其约束。后续的优化问题可以集中于应 力-寿命疲劳分析。在示意性实施例中，组件重量可以被减少多达20%，同时应力可以被减 少多达75%并且刚性可以被提高多达37%。可以使用Altair软件和内部的加载代码来实现 程序。优化的设计可以通过冷喷涂工艺来产生。
[0052] 如本领域的技术人员将领会的那样，也被称为3D打印的增材制造（AM)是直接从 数字模型生产对象的逐层技术。AM技术实现低成本产品装配以及任何数目的具有复杂形 状/几何形状、复杂材料构成和设计的特性梯度的产品的构建。当前研究寻求集成AM工艺 并且设计综合形状、几何中型结构以及微结构的探索方法以达到期望的性能。可以基于与 AM工艺关联的能力和限制来限定制造约束，诸如为：构建的速度、准确性、表面几何形状、 容差、壁厚度以及特征尺寸、材料特性和材料的范围。可用的AIM技术的示例包括但不限于 薄板焊接、焊丝焊接、在粉末床中的熔化或经由激光和电子束熔化的粉末沉积、使用粉末的 注入以及冷喷涂。出于示意的目的，冷喷涂在下面被讨论但不限于其，因为应理解的是其他 AM技术能够代替冷喷涂被用作沉积技术或除冷喷涂之外被用作沉积技术。
[0053] AM优化框架可以针对所制作的组件的初步设计阶段系统地布置以及合并设计和 分析工具。多目标优化框架可以被用于设计AM组件，所述AM组件由相互作用的物理现象 支配以实现要求的或规定的性能。所开发的框架可以基于AM工艺的功能分解。该框架还 可以标识支持概念性设计过程并且因此在设计的早期阶段帮助决策制定的通用子功能和 各种物理原理。
[0054] 在一些实施例中，所开发的优化框架被提供，其使用优化技术来生产非常适于冷 喷涂AM工艺的设计。组合的拓扑优化（T0)方法和AM工艺可以被用于再设计和生产高度 加载的托架。AM工艺可以取代传统片材金属形成。用于概念性设计的多物理场编程方案在 下面被描述。在概念性设计期间，多重载荷、多级AM约束、重量以及疲劳应力约束可以被耦 合以在将整个结构认为是预定义设计域时解决关联的困难。可以使用包括OptiStruct和 HyperStudy的Hyperworks的商业Altair?软件包。可以获得设计规程和AM工艺要求的集 成。
[0055] 虽然AM提供一系列特征，但它可能要求对唯一的可制造性决策集合进行考虑。AM 可能需要如下所列的不存在于常规制造中的新约束：
[0056] 工件支承设计-AM可以要求材料能够被沉积到其上的支承结构。支承设计及其在 沉积之后的去除在AM中可能是一个重要问题；
[0057] 材料沉积限制-图3示出了使用冷喷涂工艺沉积的材料的截面。不同的形状是沉 积之后可能的材料截面的示例。图3还指示在设计由AM所制造的组件时可能需要包括材 料沉积的角度；
[0058] 从组件的沉积喷嘴清除-组件的几何形状和现任支承设计可能需要计及喷嘴物 理空间和移动；
[0059] 表面处理-可以在粉末的沉积之后获得粗糙表面条件。后机械加工可能被要求并 且可以被包括在设计约束中；以及
[0060] 制造目标函数-制造成本能够作为约束被引入优化框架的目标函数中。
[0061] 如上面所描述的那样，可以开发用于增材拓扑优化制造工艺的框架，其中可以针 对由AM所制作的组件的初步设计阶段系统地布置以及合并设计和分析工具。该框架的示 例在图4中示出，其包括两个主要阶段。第一阶段402可以与概念阶段关联，而第二阶段 452可以限定或者为精细的设计阶段提供所要求的步骤。
[0062] 可以在概念生成阶段402中输入设计和AM要求406两者。这些要求406可以限定 用于T0建模方法和设计空间410的概念约束和目标408。可以是可制造性要求411的函数 的T0设计410进而可以用（一个或多个）计算机辅助设计/计算机辅助绘图工具（CAD)412 来解释，其中AM工艺特征引导该解释。可以对CAD模型412执行有限元分析（FEA)以确定 部件性能和应力状态。CAD模型412可以是精细的概念分析413的函数，可能地作为迭代 过程的部分。使用形状优化方法的设计优化器模块454进而可以被激活，包括所规定的多 物理场模型。可以重复该过程直到新的设计满足目标为止。功能分级模块414还能够被用 于增强部件性能。设计解释进而可以被用在CAD412中以修改设计并且重复分析直到所提 出的设计满足包括疲劳分析在内的所有要求为止。为此目的，方法可以被划分成"概念阶 段" 402,该阶段可能严重地依赖于设计工程师的输入，以及"设计阶段" 452,在该阶段中与 设计关联的参数可以使用一个或多个工具（例如自动化软件工具）来优化。
[0063] T0410可以输出可以被解释成设计概念的"概念部件"。设计概念可以是"可参数 化"成设计变量的向量x=(xl，x2，， Xn)的。设计优化器454可以寻求根据目标函数f(x)找 到最佳X*使得所有约束被满足。进而可以执行对概念部件的精细评估（例如FEA)以标识 其中更宽的设计空间将是有益的临界区域。功能分级（例如功能分级414)也可以被折合 成这种方法。诸如关于材料或它们的厚度的离散决策的、支配分级的参数可以被规定为决 策变量，所述决策变量进而可以被优化。一旦设计变量集合被确定，就可能需要全部按X来 表达目标函数f(x);类似地，可能需要完全按设计变量来表达约束。约束的集合可以被分 割成：（1)可以在迭代设计优化方法过程期间被评估的显式约束，以及（2)可能从设计优化 器454略去（set aside)的隐式约束并且所述隐式约束是必定从显式约束产生的约束。显 式约束的示例可以是具有有形值的变量，例如应力〈l〇〇ksi、厚度=0. 5"。隐式约束的示例 可以是无形的变量，例如孔是否存在、冷喷涂部件的截面是否是特定形状（例如梯形）等的 状态。
[0064] 在一些实施例中，在设计优化器454已输出了优化的设计X*之后，可以可能地基 于一个或多个功能或多物理场模型457有关隐式约束是否被满足进行验证或确定456。如 果一个或多个隐式约束未被满足（458)，则替代约束460可以被添加到显式约束集合，其目 的在于避免违反隐式约束。替代约束460可以被用在优化中以与表示与通常更难以在计算 上评估的一个或多个约束的另一集合类似的函数关系。在一些情况下，替代约束460是确 切的，但在其他情况下，函数关系是近似的并且可能需要由确切的模型来验证。
[0065] 在用公式表示优化模型时，目的可以是找到使目标最大化而同时满足约束集合的 决策变量集合。理想地，所有约束在它们可以直接表达决策变量与约束限制之间的显式关 系的意义上都可以是显式的。然而，存在其中决策变量之间的关系中的一些相对复杂使得 它们不能够用闭型方程显式地被表达的情形。因此，模型可以被运行或者执行以测试提出 的决策变量集合是否提供可行的解，但可能难以或甚至不可能显式地将约束表达为方程。 例如，输出特性（例如温度）的计算流体力学（CFD)模型可以持续运行一个小时并且进而 可以执行测试以确定温度是否超过限制，但可能难以或不可能直接按决策变量来表达约 束。替代约束460可以被用于对照限制将关键驱动器（key driver)表达为方程（例如显 式约束），其中驱动器使决策变量的作用联系起来并且其中限制可以通过实验确定。如果真 实约束是要确保温度不超过限制，则可能不存在直接将热沉的维度（例如三维空间X、y和 z中的维度）与温度相连接的等式。代替地，可以存在在给定X、y和z的情况下模拟热流 动并且输出温度的模型。如果已知的是温度与对象的质量有关，则替代约束460可以表达 质量（由x*y*z密度给出）可以至少是最小质量M。替代约束460进而可以变成x*y*z*密 度>=M。可以使用精细模型通过实验确定Μ的值。对于Μ的给定值，如果来自多物理场模型 (457和/或462)的精细模型显示特定的决策变量集合是不可行的（即温度太高），则限制 可能不够紧。限制可以在替代约束460中被收紧（即增加 Μ)至该解在精细模型中勉强可 行的点。
[0066] 在一些实施例中，可以用显式约束和替代约束460两者来重新运行或者重新执行 设计优化器454并且可制造性约束（例如可制造性要求411)将被插入。设计优化器454可 以对一个或多个功能或多物理场模型462进行调用并且考虑不同的解。模型462可以包括 应力应变模型、热梯度模型、热传递模型、空气动力学模型、化学反应模型、扩散模型等中的 一个或多个。模型462可以评估给定解（例如应力、位移）的性能，并且因此提供最终部件 可能经历的各种潜在场景的一系列测试以便在各种模型场景下评估设计。设计优化器454 可以探索设计空间并且通常以优化给定目标函数而同时满足（显式）约束的最优解终止。 设计优化器454可以具有其中特定的设计变量集合被考虑的"内循环"以及其中另一设计 变量集合被考虑的"外循环"。内循环优化可能由OptiStruct来执行并且可以使用定制的 外循环。
[0067] 假定隐式约束（458)被满足，可以对是否已获得令人满意的设计进行确定（470)。 如果令人满意的设计被获得（470)，则过程流可以停止或者结束。否则，如果令人满意的设 计未被获得（470)，则可以对是否需要重新解释概念进行确定（420)。如果需要重新解释概 念（420)，则流程可以前进到功能分级（414)。否则，如果不需要重新解释概念（420)，则可 以再定义设计要求（422)以生成（新的）设计要求（406)。
[0068] 许多工具可以是可用于评估各种形式的物理行为的。这些工具可以被集成在优化 框架（例如图4的框架）内。在一些实施例中，软件（例如HyperStudy软件）可以被用于 要求不同的多物理场/多模型457、462每次迭代串联地被运行。采用这种设置，软件可以 允许针对基于疲劳分析的形状优化的用户级、解算器无确定性、多学科的探索、学习以及优 化。
[0069] 图5A示意了能够被用于为诸如在图4的设计优化器454中所执行的那样的设计 优化方法集成多个模型的架构的实施例。该架构可以基于上面所描述的软件。一个或多个 模型502可以被用作学习引擎504的输入。学习引擎504可以使一个或多个变体506被创 建。变体506和学习引擎504可以驱动一个或多个模拟508,这可以生成结果510。该结果 可以被学习引擎504提取。学习引擎可以可能地基于或者按一个或多个参数、灵敏度、模型 鲁棒性等来学习结果512。
[0070] 图5B示意了多模型集成方法的流程图。在块552中，可以生成有限元（FE)模型。
[0071] 在块554中，可以确定或者规定目标函数和设计约束。
[0072] 在块556中，可以执行T0以生成例如用于主体组件的形状。
[0073] 在块558中，可以对形状是否是可接受进行确定。如果不是可接受的，流程可以前 进到块554,可能地在于块560中修改了一个或多个约束之后。如果形状是可接受的，则流 程可以前进到块562。
[0074] 在块562中，可以相对于组件执行尺寸优化。
[0075] 在块564中，可以确定或者规定目标函数和设计约束。
[0076] 在块566中，可以对性能约束是否被满足进行确定。如果不满足性能约束，流程可 以前进到块560。如果满足性能约束，流程可以前进到块568并且该方法可以结束。
[0077] 在一些实施例中，设计过程可以从功能要求和性能约束的公式化开始并且进而继 续组件的概念性设计、优化以及最后的细节设计。不同的组件可以针对所施加的负载被调 整尺寸并且可以在考虑其他因素的情况下针对重量或疲劳被优化。影响设计的因素可以直 接或间接地由增材制造的性能要求、组件布局、选定的材料以及方法产生。用于增材制造工 艺的设计优化方法中的要求能够被划分成以下性能约束：（1)结构性能约束（例如可容许 的应力、重量、刚性、载荷、疲劳性能、热负载、形变与失真、动态行为、网格选择），（2)由AM 工艺所产生的材料的特性（例如耐腐蚀性、键合强度、机械和热特性），以及（3) AM约束（例 如支承结构的设计、构建准确性、表面光洁度以及z方向机械特性、最小特征尺寸约束、突 出约束）。
[0078] 作为示例，将关于图6至图8来描述根据本发明的各个方面的设计优化方法的应 用。在这个示例中，本公开内容的各个方面可以被用于使用一个或多个软件包再设计失败 的组件，诸如结构支持物（托架602)。托架602可以被用于在动态载荷条件下将组件附到 结构壳体上。片材金属形成当前可以被用于制作托架602。图6不出了托架602和所施加 的动态负载，其可以使托架602的面变形，引起沿用螺栓固定的区域的应力集中。
[0079] 使用壳体元件的有限元模型可以被开发以验证当前设计并且标识高应力和故障 的区域。对安装表面与托架之间的接触交互的非线性几何弹塑性分析可以被用于预测应力 状态和形变。在分析中使用的动态载荷在图6中被示出。安装表面可以被建模为刚体并且 面连接可以被假定为在结构上是临界的。
[0080] 图7示出了在托架602的主要故障位置处的应力梯度或过渡的预测。图7包括出 失败的托架602的图片并且反映了故障位置与预测很好地关联。
[0081] 优化框架可以基于FE结果、对设计的要求、材料选择以及冷喷涂约束。图8A-8B 示意了被用于组合AM和拓扑优化以设计并且制造选定的托架602的方法。
[0082] 作为第一或初步步骤，可以获得给定设计要求并且可以提取在概念级施加的约束 子集，其可以是：1)几何形状约束（设计空间）；2)界面约束；3)最小特征尺寸约束；4)性 能约束必须针对其被满足的负载条件；以及5)性能约束。一般的过程流可以通过限定其整 个体积有资格参与负载路径的区域来开始。然后，该区域进而可以针对FEA被网格化，可以 给出负载和规格，并且可以允许T0运行。
[0083] 设计空间（图8A，项目1)可以是经受可能的去除的一定体积的材料。整个区域可 以参与分析并且不太重要的部分可以被去除。设计空间的设置可以是结合AM约束的第一 机会。剩余的可以是拓扑最优值（图8A，项目2):最有效地承载负载的材料。OptiStruct 软件包能够实施由用户在TO运行时所规定的特定制造约束，其可以被修改以结合增材制 造约束。来自T0步骤的结果可以提供已优化的部件的草图，并且可以被解释以适应AM工 艺、所要求的部件性能以及寿命。
[0084] 设计解释（图8A，项目3)可以经受设计者的判断和经验。用于针对AM来解释T0 结果的规则可能很大程度上是不清楚的并且根据工艺而变化。冷喷涂设计规则的开发和 实现可以控制T0结果的设计解释。这个设计的FE分析可以指示最大应力减少了 40%并 且设计可以被用作用OptiStruct软件进行的后续形状优化的基础。将所解释的设计用于 细调常常被称作"形状优化（SO)"。S0可以从针对FEA网格化的实体模型（solid model) 开始（图8B，项目4)。设计者可以标识网格化的模型的参数来进行优化。然后，设计者可 以对网格施加变形，真正地拉伸或者压缩FEA网格以增加或者减少特征的维度。能够使用 HyperMesh软件内部的HyperMorph工具同时应用多重变形。设计响应还可以通过设置诸如 最大可容许应力的约束以及设置诸如最小部件重量的优化目标而被包括。OptiStruct可以 通过将每个单个的变形视为设计变量并且找到每个变形的最优应用来进行so以在不违反 约束的情况下达到目标。可以在so的一次或多次迭代处执行全有限元模拟，并且最大应力 的进一步减少可以引起在质量从原始配置减少多达21%的情况下的多达75%的总减少。
[0085] 作为图8的流程的部分，可以在S0的情况下执行对材料的功能分级（图8B，项目 5)。可以准备支承（图8A，项目6)，并且可以使用冷喷涂来制作组件/托架（图8A，项目 7)。
[0086] 如上面所描述的那样，拓扑优化（T0)和形状优化（S0)是建议材料的最优使用以 得到非常有效的结构的过程。增材制造（AM)具有在物理上将材料放置在可能由T0/S0所 规定的3D位置上的能力。在一些情况下，AM可能是制造非常复杂的设计的唯一方式。可 以与开放式设计空间相联系地执行这两种技术的集成以与常规制造相比获得优越的性能。 如果这两个过程要一起工作以使它们的组合的能力最大化，则学习如何将T0/S0与AM集成 在一起可能是重要的任务。该任务的挑战可以被增加，因为AM工艺能够在物理和方法上很 大程度地发生变化。例如，冷喷涂AM工艺可以产生与激光熔化AM工艺相比在形状上很大 程度地发生变化的结构。
[0087] 针对冷喷涂AM结构在本文中公开了设计和结构优化方针。针对冷喷涂来设计和 优化部件的可行性被描述，其中包括T0和S0, T0采用所提出的方针进行设计解释，而S0使 用与冷喷涂特征一致的变形。分析指示在应力与质量之间可以存在折衷，但组合的过程可 以在有比原始部件轻得多（例如重量减少20%)的能力情况下以低得多的应力（例如在至 少一个示意性实施例中峰值应力的3倍减少）提供或者生成结构。规定设计方针、解释T0 结果以及应用SO的一般方法可以直接或间接地适用于除冷喷涂之外的其他AM工艺，诸如 其他喷涂沉积技术，并且能够在部件设计和制造方面引起协同效率。
[0088] 鉴于对用于AM的冷喷涂的新出现的兴趣以及T0/S0的迅速演进的力量和能力，这 两者之间的逻辑连接是如何针对冷喷涂设计大块部件以及哪些考虑对于优化部件而言是 必要的。本公开内容的各个方面为冷喷涂AM工艺开发了几何设计方针和T0/S0方法并且 为在有或没有T0/S0的情况下由冷喷涂所制造的大块部件的未来的设计铺设了理论基础 工作。针对实用T0/S0部件设计在本文中所描述的一般原理也能够被应用于冷喷涂和/或 其他AM工艺。冷喷涂可以经受可被其他工艺共享的约束；因此与冷喷涂相联系地对一个或 多个技术的描述可以适用于那些其他的AM工艺。
[0089] 用于冷喷涂的非穷尽的设计和结构优化方针集合被提供如下（相对于针对将在 下面更详细地描述的特定问题的设计方案而言）：
[0090] (1)使平面祐1架（trusses)和平面特征的使用最大化；
[0091] (2)在不同平面上的特征之间允许逐步过渡以得到平滑的曲率和最小喷涂分裂；
[0092] (3)在冷喷涂喷嘴与特征之间允许视线，规划包括偏位（stand-off)要求和碰撞 避免的喷涂路径；
[0093] (4)在适用的情况下，将弯曲腿用于装配组件之间的逐步过渡；
[0094] (5)使用梯形、三角形或其他几何截面来表示特征冷喷涂沉积角度；
[0095] (6)基于截面纵横比来实施有限的厚度；以及
[0096] (7)针对可去除3D基底进行设计。
[0097] 在一些实例中，机器人能够在几乎没有限制的情况下使用多个轴在空间中移动喷 嘴（例如图3的喷嘴），仅经受机器人和冷喷涂室的物理维度。然而，通过机器人在单个平 面上的移动（a) -般地更易于在对路径进行编程时实现并且（b) -般地产生具有更好材料 特性的更均匀的沉积物。
[0098] 可以连续地完成部件的冷喷涂，并且尽管对平面特征有潜在要求，但从一个平面 到另一平面的某种过渡可能发生。过渡可以随着不间断的喷涂而发生。连续过渡可以产生 平滑且弯曲的沉积物。外部表面上的急剧的过渡由于粒子沉积物的性质而也许不是可能 的。外部表面上的急剧的过渡从应力集中的角度来看也许不是可取的。
[0099] 部件可以在考虑到用于喷涂的规划的情况下被设计，所述规划将允许在冷喷涂喷 嘴与待沉积的特征之间有视线。在喷涂曲面时，试图从凹侧喷涂部件可能不总是成功的，因 为它可能引起喷嘴902与沉积物904之间的碰撞，如图9A所示。如图9B所示，从凸侧喷涂 可能是更安全的策略，因为喷嘴902不会与沉积物904碰撞。然而，可能存在其中必须在凹 侧完成喷涂的实例。设计者可以使用判断来最好地处理这样的情况，包括可能地将最大角 度准则用于凹面。
[0100] T0解可以包括桁架状结构，并且连接到相邻装配组件的桁架能够被描述为"腿"， 如将在下面进一步描述的那样。基于对冷喷涂的组件之间的视线和逐步过渡的潜在要求， 近似这样的特征的冷喷涂沉积物能够逐步从桁架的平面过渡到总成的平面上以形成腿。按 这种方式创建的两条腿在图9C中以及在图9D中被示出，其中图9C示出了腿922,而图9D 示出了腿942。在冷喷涂沉积之后，紧固件孔924和944可以被钻出并且扩孔。如图9C所 示，腿922可以表示所推荐的由如在图9B中那样定位的喷嘴902所产生的凸侧喷涂。如图 9D所示，腿942可以从由如在图9A中那样定位的喷嘴902所产生的凹侧被喷涂，这通过在 喷嘴路径规划中采取适当的预防措施来实现。
[0101] 参考图1〇,冷喷涂沉积物1002-1006常常具有由在沉积物侧面的腐蚀所引起 的、具有特征角度Θ的截面。图10A-10C提供了若干示例。在本公开内容中，这些截面 1002-1006可以被近似为梯形（图10D)并且被结合到所设计的结构1020中，如图10E所 示。如果需要，则基于材料和处理条件，诸如圆形弧的其他截面形状可能是更适当的并且可 以用类似处理来实现。
[0102] 图10F提供了关于对截面（例如截面1002-1006)的厚度的限制的示意。以最大 可能的高度与宽度比（左边）（1030)，截面变成三角形而不是梯形，因为它处于最大可能高 度h max。沉积物通过进入的粉末的腐蚀可以防止任何进一步的累积。随着宽度增加，hmax可 以根据方程#1增加：
[0103] /?nux =ytan^ ⑴
[0104] 因此，在中间和右边的两个截面（分别为1034和1038)是梯形，因为h〈h_。沉 积物处于其最大高度的示例1030和比其最大高度短得多的非常宽的沉积物的示例（例如 1038)分别在图10G(1040)和图10H(1048)中被示出。
[0105] 冷喷涂的沉积物的特征角度可以根据基底是否是平坦的（图11A) (1102)或突然 下降（图11B) (1104)而表现不同。特别地，如果基底是平坦的则沉积角度可能趋于为浅 的，但如果基底下降则沉积角度可能趋于为锐利的。以这样的急剧下降制作的冷喷涂样品 1120在图11C-11E中示出。下降可以由基底的设计来决定（图11C)。如果沉积物由于某 种原因从基底被去除（图11D)，则它可以陡峭角度的梯形截面独自站立（图11E)。角度能 够随着正被冷喷涂的材料的类型而变化。下降的基底可能由于更锐利的角度而与平坦的基 底相比开放更大的设计空间。
[0106] 图11C-11E示出了被用作用于通过冷喷涂的、部件的3D制作的基底的支承。冷喷 涂喷嘴能够在3D中朝着支承被定向并且粉末可以粘附在它以适当的角度、速度以及投射 距离冲击的地方。可以在所喷涂的粉末粘贴足够好以至于形成良好的沉积物（例如以比阈 值更大的量）但不足够好以至于与基底实现非常强的键合时预测部件的释放，从而允许最 终分开。或者，如果基底是牺牲性的（例如通过选择性化学蚀刻或热处理被去除），则沉积 物也可以被分开。
[0107] 设计支承使得各部分在桁架被期望的情况下被提高可以确保冷喷涂的材料以锐 利的特征角度累积并且形成具有相对大的可容许厚度的桁架。支承能够被用作部件的"负 图像"。该概念在图11F中被示意。冷喷涂沉积物在被从基底释放时可以是独立式的（图 11G)。这个技术还通过限制正在其上被喷涂的负特征的尺寸而允许单独地在喷嘴点尺寸 (nozzle spot size)上有改进的精度。
[0108] T0可以使用诸如OptiStuctll和关联的HyperWorks工具的一个或多个工具或软 件来实现。在一些实施例中，可以与静态加载的结构组件相关联地实现T0。设计过程可以 被用于用新的设计取代现有的部件设计。设计过程可以基于冷喷涂依照上述方针和经验的 使用。接下来的描述用具体实施例概述了问题设置、结果以及解释。
[0109] 设计空间的设置可以是结合（增材）制造约束的第一机会。这个示意性实施例中 的实体设计空间（solid design space) 1202在图12A中被示出。用于重要紧固件和装配 组件的通路被从设计空间去除并且在实体模型中呈现为孔。透视图（图12B)示出了非设 计区域（例如1220)如何与它关联。这些非设计区域1220可以提供到相邻装配组件的固 定连接并且可能不经受T0。设计空间1202可以使用一阶四面体元进行网格化以用于FE分 析（图12C)，并且可以用载荷条件执行T0。
[0110] 可以确定的是最小维度尺寸约束对于实施冷喷涂要求是有用的。规定最小维度尺 寸可以确保T0结果将以接近于能够在平坦的基底的情况下通过冷喷涂制造的尺寸或在下 降的基底的情况下通过冷喷涂制造的尺寸的组件为特征。
[0111] 在一些实例中，可能期望的是使部件兼容性最小化。例如，部件可以经受体积分数 约束，其中仅规定分数的初始体积可以被允许被保留在解中。使用5%体积分数约束-可以 提供清楚设计指导的条件-的结果得到的解在图13中被示出为在原始设计空间1202内部 被可视化。表面1302可以是具有例如0. 25的阈值结构密度的等值面；在表面1302的内部 上的所有材料可以具有由大于〇. 25(在0至1的标度上）的T0解产生的密度。未被表面 1302包含的剩余材料由参考标记1304来指示。剩余材料1304可以具有小于0. 25的结构 密度并且可以被视为是不重要的。
[0112] 图13所示的结果的特征是将紧固件连接到前板的桁架（腿）的存在。可能存在 延伸到与总成的剩余部分接口的任一中间紧固件的腿。在这个示意性实施例中，在对剩余 四个紧固件进行分析之后，中间紧固件的消除可以被视为是可接受的。如果不可接受，则缓 解策略可以是在紧固件处要求反作用力以确保腿的存在。
[0113] 在一些实施例中，T0结果可以被认为是用于使用例如SolidWorks的设计解释的 粗略指导，从而允许AM特征和限制的进一步结合。图14A示出了 TO概念，其中要在其上实 施共面原则的区域1402被圈出。这些部分可以被选择，因为它们一开始几乎是共面的。设 计解释可能已略微移动了腿以便使它们在平面上对准。可以在桁架（参照图10D和图10E 中的梯形截面）上以及在包括也可以被解释为平面特征的前板的一些或所有其他特征上 实施冷喷涂的特征角度和厚度约束。与原始部件相比，正面可以显著地被加厚以适应在紧 固件孔周围的附加材料，如由TO结果所建议的那样。小的孔可以在材料沉积之后被钻出并 且扩孔。
[0114] 图14B示出了在一个平面桁架与正面之间具有平滑曲率的汇合处的成角度的视 图。为了保留视线和可喷涂性，可以从外面执行喷涂。图14C经由箭头描绘了喷涂方向。在 这种情况下，基底可以被定位在内部。
[0115] T0可以返回能够被描述为"大象脚"的部分（图13)，其中腿近似地直接到紧固件 连接。冷喷涂的桁架可能不是非常适合这种类型的连接。相反地，冷喷涂沉积物能够逐步 从侧桁架的平面过渡到水平平面上。针对这个部件在后腿和前腿上创建的示意性的脚1404 和1406在图14D中被示出。在一些实例中，可能期望的是脚在相同方向上弯曲，但紧固件 要求可能禁止那种情况发生。紧固件孔可以在冷喷涂沉积之后被钻出并且扩孔。
[0116] 3D可释放的基底（图14E)可以被设计成适应所有这些要求。支承使用了急剧下 降来限定桁架特征。基于该设计，包括曲率的喷涂路径被规划。图15A-15B所示的、结果得 到的所解释的部件设计比T0结果显著地更适合于冷喷涂。
[0117] 图16A示出了就在被喷涂之后仍然在支承上的部件1302,而图16B示出了在轴胎 的去除以及一些后机械加工之后的部件1302。平面特征连同它们之间的平滑过渡是显而易 见的。所设计的腿曲率可以被成功地喷涂。支承的急剧下降可以允许桁架结构是定义明确 的。可以有一些多余材料沉积在支承上并且松散地结合到部件1302上，但这种额外的材料 可以通过机械加工来去除。3D支承设计的改进可以允许更深的下降和/或控制机器人来改 进喷涂路径的程序可以被规划并且可以减少多余喷涂的区域以及改进沉积物的近净形性 质。同样地，本文中所描述的设计和优化方针可以用更多经验连续地被改进。
[0118] 如上面所描述的那样，一些实施例可以结合形状优化或"S0"。可以用HyperMorph 工具执行使用HyperMesh用六面体主导的网格网格化的实体模型以及变形。多重变形可以 同时被应用于网格。设计响应可以是在优化中分别被用作目标和约束的质量和最大主应 力。OptiStruct可以将每个单个变形视为设计变量，并且通过在一次或多次迭代期间执行 全FE模拟来确定最优变形应用。
[0119] 可以开发与冷喷涂工艺一致的网格变形。可能需要小心以便网格元不变得失真。 变形策略的族包括：
[0120] 改变厚度-通过沿沉积物的成角度的边缘创建向量。可以沿这个向量同时使摇柄 (handle)(例如用于移动节点的工具）变形，以有效地保留特征沉积角度。根据图17中的 三角关系，实际变形距离m可以与所期望的厚度改变t有关。可以在图17B和图17C中描 绘实际变形（摇柄是点，在图17B中圈出了数个点）。对于没有特征角度的面/边缘，诸如 沿所钻出的孔的那些，变形可以沿切口（cut)的向量，是直的而不是成角度的；
[0121] 改变宽度-通过沿与沉积物的底部边缘垂直的向量在组件的一侧的顶部和底部 边缘上同时移动摇柄（图17D和图17E);
[0122] 移动桁架-通过沿着沿桁架与其相交的组件对准的向量在桁架的一端同时移动 所有顶部和底部摇柄；
[0123] 使腿旋转-通过选择腿或其他构件的所有摇柄并且围绕沿将腿连接到结构的剩 余部分的边缘的向量旋转（图17F和图17G)。腿在到脚的弯曲段中终止，该弯曲段可以通 过另外的变形来调整以维持合理且可喷涂的几何形状；
[0124] 调整曲率-用于脚的不规则（例如样条曲线）曲率以补充腿旋转（图17E和图 17G);以及
[0125] 角度扩大-通过调整截面。图18A示出了通过从垂直平面使冷喷涂喷嘴旋转例如 30°在任一侧被弄方并且被弄圆以扩大沉积的冷喷涂沉积物的截面。可能地表示对模型网 格的这种操作的变形在图18B和18C中被示出，其中图18B可以表示原始截面并且图18C 包括箭头以示出表示以一定角度通过冷喷涂的扩大的变形。
[0126] 可以有数个（例如十六个）特定的变形被定义，由图19中的箭头/标记来示意性 地指示并且在下面所示的表1中被解释。为了促进质量的减少，正面可以被划分成五个不 同的区域，反映与其他区域相比以更多次通过冷喷涂一些区域的选项，由此局部增加厚度。
[0127]

【权利要求】
1. 一种方法，其包括： 通过包括处理器的计算设备来接收与组件关联的多个设计约束和制造约束，所述设计 约束包括所述组件的期望质量并且所述制造约束包括由所述组件将通过其来制造的制造 技术所强加的约束； 通过所述计算设备跨多个变量根据设计优化方法来集成所述设计约束和所述制造约 束以生成候选组件规格；以及 通过所述计算设备来执行表面优化以根据所述设计约束中的变化来优化所述候选组 件规格以生成用于所述组件的最终规格。
2. 根据权利要求1所述的方法，其还包括在增材制造机器处接收所述最终规格，并且 使用与所述制造约束相对应的增材制造技术根据所述最终规格来生产所述组件。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中： 所述设计约束包括所述组件的维度、所述组件的表面以及所述组件在使用期间的负载 路径的组合；并且 除要求的支承和固定件的映射之外，所述制造约束还包括在制造期间与所述组件关联 的视线、与所述组件关联的角度、所述组件的垂直表面与相邻表面之间的角度、与所述组件 关联的容差以及工具特征的组合。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述设计优化方法按以下各项中的至少一个来规 定：重量、可靠性、性能、复杂性以及成本。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述最终规格包括以下各项中的至少一个：处理 规格、制造规格、装配规格以及使用规格。
6. -种装置，其包括： 至少一个处理器；以及 具有存储在其上的指令的存储器，所述指令在被所述至少一个处理器执行时使所述装 置执行以下操作： 接收与组件关联的多个设计约束和制造约束，所述设计约束包括所述组件的期望质量 并且所述制造约束包括由所述组件将通过其来制造的制造技术所强加的约束， 跨多个变量根据设计优化方法来集成所述设计约束和所述制造约束以生成候选组件， 以及 执行表面优化以根据所述设计约束中的变化来优化所述候选组件规格以为所述组件 生成最终规格。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中： 所述设计约束包括所述组件的维度、所述组件的表面以及所述组件在使用期间的负载 路径的组合；以及 所述制造约束包括在制造期间与所述组件关联的视线、与所述组件关联的角度、所述 组件的垂直表面与相邻表面之间的角度、与所述组件关联的容差以及固定特征的组合。
8. 根据权利要求6所述的装置，其中所述指令在被所述至少一个处理器执行时使所述 装置执行以下操作： 在生成用于所述组件的最终规格时将所述设计约束和制造约束以及设计优化方法与 多功能优化集成在一起。
9. 一种方法，其包括： 通过包括处理器的计算设备来接收待修理的组件的指示；以及 通过所述计算设备来执行形状优化以通过优化母材料与修理材料之间的界面位置并 且设计过渡以计及材料特性的差异来优化用于所述组件的规格。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述过渡包括以下各项中的至少一个：所述母材 料与所述修理材料一起的分级和所述修理材料与第三材料一起的分级，所述方法还包括： 基于所述规格来修理所述组件。
【文档编号】G06F17/50GK104050314SQ201410098127
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】A.T.纳迪, T.I.埃-瓦达尼, D.V.韦恩斯, M.E.林奇, A.苏, M.A.克莱卡, 顾文炯 申请人:西科尔斯基飞机公司