ICS25.030增材制造結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB/T43148—2023 I 2規(guī)范性引用文件 4結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)總體要求 2 24.2設(shè)計(jì)流程 25基于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求 35.1三維點(diǎn)陣設(shè)計(jì) 35.2其他多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35.3梯度點(diǎn)陣設(shè)計(jì) 6基于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求 4 46.2基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程 4 57.1極限加工尺寸約束 57.2懸垂約束 57.3封閉空腔 57.4模型擺放 57.5應(yīng)力集中 5附錄A(資料性)基于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)示意圖 6附錄B(資料性)典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能 附錄C(資料性)基于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)實(shí)例 IGB/T43148—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。本文件由全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC562)歸口。本文件起草單位：南京理工大學(xué)、廣東漢邦激光科技有限公司、?？耸匪芰现破?太倉(cāng))有限公司、中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司、江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司、中國(guó)海洋大學(xué)、中機(jī)新材料研究院(鄭州)有限公司、西安增材制造國(guó)家研究院有限公司、南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司、云南增材佳唯動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司、湖南華曙高科技股份有限公司、中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)江蘇分院有限公司、國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、共享智能裝備有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所、中航邁特粉冶科技(北京)有限公司。1GB/T43148—2023增材制造結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求1范圍本文件規(guī)定了面向增材制造的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)總體要求、基于多孔結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)要求及其工藝約束設(shè)計(jì)要求。本文件適用于面向增材制造的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文本文件。GB/T18784.2CAD/CAM數(shù)據(jù)質(zhì)量保證方法GB/T24734.4技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則第4部分：設(shè)計(jì)模型要求GB/T35351增材制造術(shù)語(yǔ)GB/T37698增材制造設(shè)計(jì)要求、指南和建議GB/T35351界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。懸垂結(jié)構(gòu)外切面與水平面的銳角夾角。打印件懸垂結(jié)構(gòu)等效為懸臂梁后的長(zhǎng)度。周期性或非周期性布置的三維開孔結(jié)構(gòu)。3.52GB/T43148—20234結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)總體要求結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)前應(yīng)按照GB/T37698的規(guī)定進(jìn)行增材制造潛能評(píng)定，并判定是否需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程見圖1。模型輸入模型輸入模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)與修復(fù)模型工況分析拓?fù)鋬?yōu)化?是拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝約束條件檢查否，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)不不符合工藝要求是否符合符合工藝要求工藝要求?是輸出模型否結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)前需對(duì)輸入的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)和修復(fù)，以確保模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量符合3GB/T43148—2023結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)首先需要對(duì)輸入模型進(jìn)行工況分析，隨后根據(jù)分析結(jié)果判定是否需要進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)完成輕量化設(shè)計(jì)的模型應(yīng)能導(dǎo)入增材制造設(shè)備。5基于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求5.1三維點(diǎn)陣設(shè)計(jì)三維點(diǎn)陣是周期拓?fù)溆行虻亩嗫钻嚵薪Y(jié)構(gòu)。常見的三維點(diǎn)陣胞元包括由桿和節(jié)點(diǎn)組成的桁架胞元、以及三重周期極小曲面胞元等。其胞元的拓?fù)湫螒B(tài)如圖2所示。a)桁架胞元b)三重周期極小曲面胞元圖2常見三維點(diǎn)陣胞元示意圖基于三維點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是通過改變胞元形狀、尺寸以及桿的懸垂角等方法，得到滿足力、熱性能要求的輕量化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的特征結(jié)構(gòu)極限尺寸應(yīng)滿足增材制造成形工藝的要求。應(yīng)根據(jù)第7章的增材制造工藝約束設(shè)計(jì)要求，合理選擇三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的填充取向，減少懸垂結(jié)構(gòu)。三維點(diǎn)陣填充取向示意圖見附錄A中的圖A.1。三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域需盡可能保持胞元的完整性。邊緣點(diǎn)陣填充設(shè)計(jì)示意圖見圖A.2。5.2其他多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蜂窩結(jié)構(gòu)指周期性布置的拓?fù)溆行虻亩S開孔陣列板狀結(jié)構(gòu)。可選用三角形、四邊形、六邊形、圓宜充分考慮服役工況下結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，基于結(jié)構(gòu)-性能理論和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。典型4GB/T43148—2023蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系見附錄B。泡沫結(jié)構(gòu)指胞元構(gòu)型及排布方式無序的多孔結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^逆向建模法、數(shù)學(xué)模型法設(shè)計(jì)泡沫結(jié)構(gòu)并填充模型，得到滿足工況要求的輕量化結(jié)構(gòu)。5.3梯度點(diǎn)陣設(shè)計(jì)宜根據(jù)三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的工況條件，調(diào)整點(diǎn)陣胞元尺寸或拓?fù)錁?gòu)型，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)密度的梯度調(diào)節(jié)。在滿足輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下，使結(jié)構(gòu)的力、熱等工況性能更優(yōu)。梯度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)示意圖見6基于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的一種，通過數(shù)學(xué)建模，以結(jié)構(gòu)輕量化為優(yōu)化目標(biāo)，在滿足工況要求及體積、增材制造工藝等約束的條件下，實(shí)現(xiàn)材料的最優(yōu)分布?；谕?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程圖見圖A.4?；谕?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)實(shí)例見附錄C。6.2基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程對(duì)三維模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保模型文件具有可讀性，能夠通過拓?fù)鋬?yōu)化軟件或者程序讀等錯(cuò)誤。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，定義拓?fù)鋬?yōu)化模型的設(shè)計(jì)域與非設(shè)計(jì)域。設(shè)計(jì)域?yàn)榭蓛?yōu)化的區(qū)域，非設(shè)計(jì)域?yàn)閮?yōu)化過程中不發(fā)生變化的區(qū)域。零件配合處、載荷與約束附近區(qū)域一般定義為非設(shè)計(jì)域。邊界條件主要分為載荷條件和約束條件。載荷可分為集中力、壓強(qiáng)、扭矩等，約束可分為固定部分有限元分析計(jì)算的數(shù)學(xué)模型需盡可能貼切于現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境，確保最優(yōu)解。有限元網(wǎng)格劃分需盡可能保證網(wǎng)格數(shù)量足夠大、網(wǎng)格體積足夠小，確保有限元分析計(jì)算可以在多次優(yōu)化迭代中順利進(jìn)行，避免計(jì)算結(jié)果不收斂。5GB/T43148—2023得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，宜將模型導(dǎo)出至三維建模軟件平臺(tái)，進(jìn)行7增材制造工藝約束設(shè)計(jì)要求7.1極限加工尺寸約束7.2懸垂約束結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)不應(yīng)出現(xiàn)影響模型加工的懸垂結(jié)構(gòu)。若無法避免，宜根據(jù)增材制造工藝類型、零件撐結(jié)構(gòu)或變更模型設(shè)計(jì)，從而確保模型在加工過程中不會(huì)發(fā)生坍塌、翹曲變形、表面質(zhì)量下降等問題。懸垂結(jié)構(gòu)及懸垂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法見圖A.5和圖A.6。7.3封閉空腔輕量化設(shè)計(jì)模型內(nèi)部不應(yīng)有封閉空腔結(jié)構(gòu)。封閉空腔結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)出粉孔，使空腔與外界連通。封閉空腔示意圖見圖A.7。7.4模型擺放結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)評(píng)估模型擺放角度、特征精度、強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)擺放方向的影響?？蓪?duì)模型中精度要求高的部位添加余量，成形后通過機(jī)加工來保證該部位的精度。模型中精度要求高的平面區(qū)域或配合面宜作為上表面，且需與加工平面保持平行。模型中精度要求高的曲面區(qū)域應(yīng)垂直于加工平面，降低階梯效應(yīng)對(duì)表面精度的影響。7.5應(yīng)力集中輕量化設(shè)計(jì)后的零件可能存在大塊區(qū)域或厚度不均勻的結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。此外，尖銳的內(nèi)部拐角也會(huì)引起應(yīng)力集中(或應(yīng)力升高),導(dǎo)致零件過早失效。宜對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)后可能存在的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行整體評(píng)估。6GB/T43148—2023(資料性)基于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)示意圖a)邊緣不完整點(diǎn)陣b)邊緣完整點(diǎn)陣圖A.1三維點(diǎn)陣填充取向示意圖A.2邊緣點(diǎn)陣設(shè)計(jì)a)邊緣不完整點(diǎn)陣b)邊緣完整點(diǎn)陣圖A.2邊緣點(diǎn)陣填充設(shè)計(jì)示意圖A.3梯度點(diǎn)陣設(shè)計(jì)7GB/T43148—2023a)懸臂梁邊界條件b)拓?fù)鋬?yōu)化密度分布圖c)懸臂梁梯度點(diǎn)陣分布圖A.3梯度點(diǎn)陣設(shè)計(jì)示意圖A.4基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程圖如圖A.4所示。導(dǎo)入模型導(dǎo)入模型迭代收斂終止條件是模型后處理模型輸出圖A.4基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程圖A.5懸垂結(jié)構(gòu)對(duì)于多數(shù)增材制造工藝，當(dāng)模型中的懸垂角α低于一定門限值時(shí)，可考慮設(shè)計(jì)額外的工藝支撐結(jié)構(gòu)，否則模型在加工過程中會(huì)發(fā)生坍塌、翹曲變形、表面質(zhì)量下降等問題。該角度與選用的增材制造工8GB/T43148—2023標(biāo)引符號(hào)說明：A——成形方向；B——懸垂角；C——懸垂區(qū)域；圖A.5懸垂結(jié)構(gòu)示意圖A.6懸垂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖A.6所示，通過優(yōu)化懸垂區(qū)域的形狀，將懸垂圓孔設(shè)計(jì)為雨滴型自支撐孔、將階梯狀懸垂面設(shè)計(jì)為漸變式自支撐曲面，可獲得更好的零件成形表質(zhì)量。FACGH標(biāo)引符號(hào)說明：A——懸垂結(jié)構(gòu)；B——支撐結(jié)構(gòu)；L設(shè)計(jì)方案1;E—-—設(shè)計(jì)方案2;F——懸垂圓孔，設(shè)計(jì)為雨滴型孔；H——階梯狀懸垂面，設(shè)計(jì)為自支撐曲面。圖A.6懸垂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖模型內(nèi)部不宜有影響成形質(zhì)量的封閉空腔結(jié)構(gòu)，如圖A.7中B所示，空腔與外界不連通，打印后容易累積粉末材料且內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)無法去除。9GB/T43148—2023A--—三維模型；B——封閉空腔。圖A.7封閉空腔示意圖GB/T43148—2023(資料性)典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能八種典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能見表B.1。表B.1八種典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能典型蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能三角形四邊形六邊形圓形oa=0.183oy。p2+(0.815p2+0.985pr-0.0005)psV2GB/T43148—2023表B.1八種典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能(續(xù))典型蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能四角六邊形雙V形手性結(jié)構(gòu)星形注：其中等式左側(cè)，pr為相對(duì)密度，E為彈性模量，為泊松比，σs為面內(nèi)靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，σs?為蜂窩點(diǎn)陣水平方向的抗壓強(qiáng)度，σ2為垂直方向的抗壓強(qiáng)度，σa為面內(nèi)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，Pm為面外平均壓縮力，om為GB/T43148—2023(資料性)基于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)實(shí)例C.1模型預(yù)處理去除了微小特征(圖C.1b)]。a)初始模型b)簡(jiǎn)化模型初始模型與簡(jiǎn)化模型C.2劃分設(shè)計(jì)域圖C.2設(shè)計(jì)域示意圖C.3確定邊界條件如圖C.3所示，對(duì)軸承孔A施加向下100N的集中載荷，對(duì)螺栓孔B施加完全固定的位移約束。圖C.3邊界條件與載荷C.4建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型以提高結(jié)構(gòu)剛度為例，建立的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如圖C.4所示。其中，C代表結(jié)構(gòu)柔順度，K代表全局剛度矩陣，U代表位移，V*代表設(shè)計(jì)人員設(shè)定