航空增材制造的设计-验证-生产流程
Megan Lobdell, Brian Croop和Hubert Lobo;数据实验室材料技术中心
Sridhar Ravikoti和Robert Yancey;牵牛星工程公司。
航空航天业正在选择性地实施3D打印技术，特别是用于一次性和小批量生产，也用于生产传统制造工艺无法制造的零部件。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，使其成为一个现成的零件。一个关键的步骤是确保零件将执行模拟。这是因为模拟包括了模型假设的不确定性。这种不确定性通常在原型开发阶段才被测试。中期发展阶段,CAETestbench™验证被添加到设计工作流程中，以在零件制造之前测量仿真精度，为工程师的模型带来信心。
随着3D打印和增材制造技术的出现，以前被认为难以生产的制造设计现在可以快速、高效地生成，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。在过去，过度设计作为防止部件失效的手段是可以接受的，但新方案的一个关键要求是确保优化后的部件不会失效。为了使这个策略成功，仿真必须精确到失败为止。
传统上，设计过程涉及设计师和分析师之间的多次迭代，设计师将设计提交给分析师，后者完成他们的分析，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。然后将设计交给制造团队，制造团队可能会有额外的约束或关注，然后可以继续迭代。添加制造与拓扑优化相结合，可以显著减少设计、分析和制造迭代，甚至消除迭代。为了确保该部件将按照模拟的方式运行，在创建最终产品之前，对标准化部件进行中期验证。这是因为通常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。
这个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，同时也大大减轻了其重量。这个工作流程在172架塞斯纳后电梯钟曲柄上进行了测试。目标是在最大允许输入载荷的基础上，优化零件的重量，同时确保零件的安全系数为2，最大挠度为3.8mm。
测量了密度和应力应变曲线，并将所得数据上传到Matereality．使用materiality的CAE Modeler软件创建了弹性和弹塑性分段材料模型。CAE Modeler为用户提供图形控制，以指定在模型中使用的应力应变点，也计算模量和材料模型的极限强度。材料文件存储在用户的Workgroup material DatabasePro中，可以导出到HyperMesh®通过matereity - hyperworks连接。
在优化之前，在3D打印康奈尔自行车曲柄上进行了仿真的中期验证，该曲柄的特点是用来探测仿真的质量。利用数字图像相关技术(DIC)收集自行车曲柄表面的应变场图像，与模拟应变进行比较，以评价模拟对试验的保真度。在HyperMesh中建立了实体地图网格的弹性响应验证，并对其进行了仿真OptiStruct®解算器。失效验证也在HyperMesh中建立，使用一个细化的网格，然后运行非线性显式分析求解器，收音机®．将曲柄折断后的图像与仿真图像进行了对比。它们不仅在相同的位置断裂，而且模拟计算出了与物理试验相似的失效载荷。
在一个信心的措施，在模拟现在建立，一个优化的部分是做了使用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，特别是对航空航天结构，因为减轻重量是至关重要的。
