梅根·洛戴尔、布莱恩·克鲁普和休伯特·洛博;DatapointLabs材料技术中心
Sridhar Ravikoti和Robert Yancey;牵牛星工程公司。

航空航天工业正在选择性地实施3D打印，特别是一次性和小批量生产，以及生产不能用传统制造工艺制造的部件。有了3D打印，就有了这种不可思议的可能性来建立一个实体模型，利用拓扑优化优化其形状，然后直接打印它来制作一个随时可用的部件。关键的一步是确保该部件将按照模拟的方式运行。这是因为模拟包含了来自模型假设的不确定性。这种不确定性通常未被测试，直到原型阶段。中期发展阶段,CAETestbench™验证被添加到设计工作流中，在零件制作之前测量模拟精度，为工程师的模型带来信心。

随着3D打印和增材制造的出现，以前被认为难以生产的制造设计现在可以快速、有效地生成，无需工具。在航空航天工业中，重量对工程设计非常重要。在涉及几何优化的现代轻量化策略中，目标是生成满足原始性能要求的设计，但使用更少的材料。虽然在过去，过度设计是可以被接受的一种手段，以防止部件故障，但新方案的关键要求是确保优化的部件不会出现故障。为了使该策略获得成功，必须使模拟精确到失败。

传统上，设计过程涉及设计师和分析人员之间的多次迭代，设计师将设计提交给分析人员，分析人员完成他们的分析并将建议反馈给设计师。然后重复这个过程，直到一个有效的设计满足分析标准。然后将设计提交给制造团队，他们可能会有额外的限制或关注，然后可以继续迭代。增材制造与拓扑优化相结合，大大减少了设计、分析和制造的迭代，甚至消除了迭代。为了确保该部件能像模拟的那样工作，在创建最终产品之前，要对标准化部件进行中期验证。这是因为往往很难甚至不可能准确地测试和复制产品的真实生活边界条件，以足够的保真度进行定量比较。

这种工作流程可以帮助减少设计、分析和生产飞机部件所需的时间，同时也可以显著降低其重量。该工作流程在172塞斯纳后升降钟曲柄上进行了测试。目标是根据最大允许载荷输入对零件进行重量优化，同时确保零件的安全系数为2，最大挠度为3.8mm。

测量密度和应力-应变曲线，并将结果数据上传到Matereality．弹性和弹塑性分段材料模型是使用materiality的CAE Modeler软件创建的。CAE Modeler为用户提供图形控制，以指定模型中使用的应力-应变点，并计算材料模型的模量和极限强度。材料文件存储在用户的工作组material DatabasePro中，准备导出到HyperMesh®通过Matereality-HyperWorks的连接。

在优化之前，在3D打印的康奈尔自行车曲柄上进行了仿真的中期验证，该曲柄具有旨在探测仿真质量的功能。利用数字图像相关(DIC)技术，采集自行车曲柄表面的应变场图像，与模拟应变进行对比，以评价模拟与试验的逼真度。在HyperMesh中建立了实体映射网格的弹性响应验证，并使用OptiStruct®解算器。在HyperMesh中使用一个细化的网格进行失效验证，然后使用非线性显式分析求解器运行，收音机®．将曲柄折断后的图像与仿真图像进行了对比。不仅它们在相同的位置断裂，而且模拟计算出了与物理测试相似的失效载荷。

在建立了对仿真的信心测度后，利用该方法对零件进行了优化solidThinking激发™结构优化软件。最终的概念设计实现了45%的质量减少，这对任何结构都是重要的，特别是航空结构，最大限度地减少重量是至关重要的。

有关此工作流程的更多细节，请点击此处阅读完整白皮书。