面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置的制作方法

1.本发明涉及增材制造航空发动机设计及制造技术领域，尤其涉及一种面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置。


背景技术：

2.增材制造技术是基于增量理念通过逐点、逐线、逐层堆积的方式完成零件“从下到上”、“从无到有”制造成型的新工艺。特别是送粉式增材制造因具有尺寸约束小、材料组成可控、性能分布参数化制造等优势被认为是增材制造的核心技术之一，已在航空航天等尖端行业发挥了重要作用。然而由于增材制造产品几何结构和构成材料同时成型的制造方式导致增材制造零部件的材料性能数据随增材制造设备、成型工艺等技术的不同存在差异，呈现出明显的工艺相关性，特别是力学性能各向异性对增材制造航空发动机零部件拓扑优化的强度设计和服役能力形成了严重的挑战。因此，如何对增材制造航空发动机零部件的力学性能进行原位分析和调控就显得尤为重要。然而，现有研究表明针对增材制造力学性能分析方法尚不完善，特别是面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能各向异性的分析及调控装置匮乏。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，用于解决送粉式增材制造产品内应力空间分布规律和大小的快速原位表征难题，进而为增材制造航空发动机部件拓扑设计优化仿真提供本构关系工艺相关性分析及调控提供技术支持。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明提供了一种面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述装置包括：载体、载体转接设备、载体支架、光路反射镜、反射镜转接件、基座连杆和基座；其中，
6.所述载体通过载体转接设备与载体支架螺纹连接；
7.所述光路反射镜通过反射镜转接件与所述基座连杆螺纹连接于所述载体支架(300)内部；
8.所述基座连杆与所述基座螺纹连接。
9.在一种可能的实施方式中，所述载体设计成“米”字式；其中，
10.所述载体的载体上表面为增材制造成型结构的承载表面；
11.所述载体的载体下表面为经抛光处理达到镜面反射要求；
12.所述载体的右45
°
测试区、左45
°
测试区、上y测试区、下y测试区、右x测试区、左x测试区、右-45
°
测试区和左-45
°
测试区的矩形截面积及形状相同，且相邻部分夹角互为45
°
；
13.所述载体的特征尺寸包括：a为20～30cm，b为20～30mm，厚度h为10～15mm。
14.在一种可能的实施方式中，所述载体转接设备包括：载体转接件，载体左固定螺
栓，载体右固定螺栓，支架转接件；其中，
15.所述载体转接件与支架转接件通过载体左固定螺栓和载体右固定螺栓螺纹嵌套结构同轴安装。
16.在一种可能的实施方式中，所述载体正中心设置有载体螺纹孔；其中，
17.所述载体和载体转接件通过载体螺纹孔和转接件螺栓连接。
18.在一种可能的实施方式中，所述的支架转接件与载体支架通过支架转接件螺栓和载体支架螺纹孔连接。
19.在一种可能的实施方式中，所述载体和光路反射镜沿着载体转接件通孔和反射镜转接件通孔的轴线旋转。
20.在一种可能的实施方式中，所述载体支架上设置有4个载体支架腿；
21.所述基座上设置有与载体支架腿尺寸和空间位置对应的基座限位槽，其中，
22.所述载体支架与基座通过载体支架腿与基座限位槽的镶嵌结构连接。
23.在一种可能的实施方式中，所述基座与基座连杆通过基座螺纹孔和连杆螺栓连接。
24.在一种可能的实施方式中，所述的基座连杆与反射镜转接件通过左固定螺栓和右固定螺栓螺纹嵌套结构同轴安装。
25.在一种可能的实施方式中，所述反射镜转接件与光路反射镜通过光路反射镜螺纹孔和反射镜转接件螺栓连接。
26.本发明的技术效果和优点：
27.(1)、本发明中载体的“米”字式的设计不仅可以一次性得到与该工艺对应的增材制造产品变形信息在x方向、y方向和与x轴夹角为45
°
、-45
°
四个方向上的分布规律和大小；
28.(2)、本发明中载体的“米”字式的设计有效地解决了四个方向上的变形信息互相耦合无法分离的问题；
29.(3)、本发明中的载体的可旋转设计有效地用于定性定量表征送粉式增材制造中成型区域空间位置对内应力的影响，为面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能各向异性分析及调控研究提供了技术支持。
30.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
31.图1为本发明示例性实施例的力学性能分析调控装置的爆炸示意图；
32.图2为本发明示例性实施例的力学性能分析调控装置的结构示意图；
33.图3为本发明示例性实施例的载体和载体转接件的结构装配示意图；
34.图4为本发明示例性实施例的载体的特征尺寸示意图；
35.图5为本发明示例性实施例的载体转接件与支架转接件的结构装配示意图；
36.图6为本发明示例性实施例的支架转接件与载体支架的结构装配图及其局部放大图；
37.图7为本发明示例性实施例的基座连杆与反射镜转接件的结构装配示意图；
38.图8为本发明示例性实施例的载体的上表面分区示意图；
39.图9为本发明示例性实施例的力学性能表征装置在送粉式增材制造设备应用时的结构示意图；
40.图中，100、载体；101、载体螺纹孔；121、y测试区；122、下y测试区；131、右45
°
测试区；132是左45
°
测试区；141、右x测试区；142、左x测试区；111、左-45
°
测试区；112、右-45
°
测试区；191、载体上表面；192、载体下表面；199、激光器；200、载体转接件；201、转接件螺栓；202、载体转接件通孔；203、载体转接件连接环；210、载体右固定螺栓；211、载体右固定螺栓210的凸台；212、载体右固定螺栓210的小凸台；220、载体左固定螺栓；221、载体左固定螺栓220的凸台；222、载体左固定螺栓220的凸台221的内孔；230、支架转接件；231、支架转接件螺栓；232、支架转接件通孔；233、支架转接件连接环；300、载体支架；301、载体支架腿；302、载体支架顶部；303、载体支架螺纹孔；400、光路反射镜；401、光路反射镜中心凸台；402、光路反射镜螺纹孔；403是反射镜表面；500、反射镜转接件；501、反射镜转接件螺栓；502、反射镜转接件通孔；503、反射镜转接件凸台；510、右固定螺栓；511、右固定螺栓510的凸台；512、右固定螺栓510的小凸台；520、左固定螺栓；521、左固定螺栓520的凸台；600、基座连杆；610、基座连杆装配端；612、基座连杆通孔；620、连杆螺栓；700、基座；701、基座限位槽；702、基座螺纹孔。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.为解决现有技术的不足，本发明提出的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，图1为本发明示例性实施例的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置的爆炸示意图；图2为本发明示例性实施例的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置的结构示意图；如图1～图2所示，所述装置包括：载体100，载体转接件200，载体左固定螺栓220，载体右固定螺栓210，支架转接件230，载体支架300，光路反射镜400，反射镜转接件500，反射镜左固定螺栓520，反射镜右固定螺栓510，基座连杆600，基座700。
43.具体装配关系如下：
44.图3为本发明示例性实施例的载体100和载体转接件200的结构装配示意图；如图3所示，所述载体100正中心设置有载体螺纹孔101；其中，所述的载体100和载体转接件200通过载体螺纹孔101和转接件螺栓201进行连接，载体螺纹孔101处加工有m6内螺纹，转接件螺栓201处加工有m6的外螺纹，通过螺纹实现载体100和载体转接件200之间不会发生相对移动和转动；进一步地，图4为本发明示例性实施例的载体100的特征尺寸示意图，结合图3和图4可知，所述载体100的特征尺寸包括：a为20～30cm，b为20～30mm，厚度h为10～15mm；
45.图5为本发明示例性实施例的载体转接件200与支架转接件230的结构装配示意图，结合图1、图3和图5可知，所述的载体转接件200与支架转接件230通过载体左固定螺栓220、载体右固定螺栓210螺纹嵌套结构同轴安装，载体转接件通孔202与支架转接件通孔
232同轴安装，载体左固定螺栓220的凸台221穿过载体转接件通孔202并与其同轴安装，载体右固定螺栓210的凸台211穿过支架转接件通孔232并与其同轴安装，载体左固定螺栓220的凸台221的内孔222表面加工有m4的内螺纹，载体右固定螺栓210的小凸台212表面加工有m4的外螺纹，通过内孔222的内螺纹和小凸台212的外螺纹的相互配合提供保证载体转接件连接环203与支架转接件连接环233不发生相对移动和转动的作用力，其中在内孔222的内螺纹和小凸台212的外螺纹装配前可以通过沿着载体转接件通孔202的轴线旋转载体转接件200实现载体100空间位置的调整，进而实现载体100与基座700表面呈现任意夹角的空间位置；
46.图6为本发明示例性实施例的支架转接件与载体支架的结构装配图及其局部放大图，结合图1、图5和图6可知，所述的支架转接件230与载体支架300通过支架转接件螺栓231和载体支架螺纹孔303进行连接，支架转接件螺栓231处加工有m6的外螺纹，位于载体支架顶部302处的载体支架螺纹孔303处加工有m6内螺纹，通过螺纹实现支架转接件230与载体支架300之间不会发生相对移动和转动；
47.进一步地，结合图4和图6可知，所述的载体支架300与基座700通过载体支架腿301与基座限位槽701的镶嵌结构实现连接，所述载体支架300上设置有4个载体支架腿，所述基座700上设置有与载体支架腿尺寸和空间位置对应的基座限位槽701，通过四组载体支架腿301与基座限位槽701的镶嵌装配方式实现确保载体支架300与基座700之间不会发生相对移动和转动；
48.进一步地，通过图1可知，所述的基座700与基座连杆600通过基座螺纹孔702和连杆螺栓620进行连接，基座螺纹孔702处加工有m6内螺纹，连杆螺栓620处加工有m6的外螺纹，通过螺纹实现基座700与基座连杆600之间不会发生相对移动和转动；
49.图7为本发明示例性实施例的基座连杆与反射镜转接件的结构装配示意图，结合图1和图7可知，所述的基座连杆600与反射镜转接件500通过左固定螺栓520、右固定螺栓510螺纹嵌套结构同轴安装，位于基座连杆装配端610的基座连杆通孔612与位于反射镜转接件凸台503处的反射镜转接件通孔502同轴安装，左固定螺栓520的凸台521穿过反射镜转接件通孔502并与其同轴安装，右固定螺栓510的凸台511穿过基座连杆通孔612并与其同轴安装，左固定螺栓520的凸台521的内孔表面加工有m4的内螺纹，右固定螺栓510的小凸台512表面加工有m4的外螺纹，通过内孔内螺纹和凸台外螺纹的相互配合提供保证基座连杆600与反射镜转接件500不发生相对移动和转动的作用力，其中在内孔内螺纹和凸台外螺纹装配前可以通过沿着反射镜转接件通孔502的轴线旋转反射镜转接件500实现光路反射镜400空间位置的调整，进而光路反射镜400与基座700表面呈现任意夹角的空间位置；
50.进一步地，通过图3可知，所述的反射镜转接件500与光路反射镜400通过光路反射镜螺纹孔402和反射镜转接件螺栓501进行连接，位于光路反射镜中心凸台401处的光路反射镜螺纹孔402加工有m6内螺纹，反射镜转接件螺栓501处加工有m6的外螺纹，通过螺纹实现反射镜转接件500与光路反射镜400之间不会发生相对移动和转动，光路反射镜400位于载体支架300内部。
51.本发明的一种面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其设计原理和工作过程如下：
52.本发明设计的设计理论基础为连续介质力学和膜基结构力学基本原理，图8为本
发明示例性实施例的载体的上表面分区示意图，如图8所示，其中载体100的载体上表面191为增材制造成型结构的承载表面，右45
°
测试区131、左45
°
测试区132、上y测试区121、下y测试区122、右x测试区141、左x测试区142、右-45
°
测试区112和左-45
°
测试区111的功能是一次性得到与该工艺对应的增材制造产品变形信息在x方向、z方向和与x轴夹角为45
°
、-45
°
四个方向上的分布规律和大小；载体100的载体下表面192为经抛光处理的，功能是为干涉测量技术获取增材制造产品力学性能的空间分布特点和数值大小提供反射面，进而实现以干涉条纹的形式实时显示曲率信息；载体100中右45
°
测试区131、左45
°
测试区132、上y测试区121、下y测试区122、右x测试区141、左x测试区142、右-45
°
测试区112和左-45
°
测试区111中间不连续的功能是解决四个方向上的变形信息互相耦合无法分离的问题，进而实现右45
°
测试区131和左45
°
测试区132的曲率数据仅为45
°
方向上的变形数据，上y测试区121和下y测试区122的曲率数据仅为y方向上的变形数据，右x测试区141和左x测试区142的曲率数据仅为x方向上的变形数据，右-45
°
测试区112和左-45
°
测试区111的曲率数据仅为-45
°
方向上的变形数据；光路反射镜400上的反射镜表面403的功能是改变干涉变形测量系统发出的激光束传播路径。
53.在本发明装置的应用状态中，按照实验需求首先将上述装置安装在激光器199的工作平台上，通过载体100和光路反射镜400沿着载体转接件通孔202和反射镜转接件通孔502的轴线旋转功能，将载体100与基座700表面之间的夹角调整至指定角度；然后，调整光路反射镜400的空间位置使相干梯度敏感干涉变形测量系统发出的测量光路满足干涉成像要求，待光路反射镜400和载体100的位置调整好后相干梯度敏感干涉变形测量系统开始采集实时曲率数据，同时激光器199开始按照工艺参数将熔融态金属沉积在载体上表面191上直至整个表面完全覆满；最后，等待铺满熔融金属的载体100完全冷却结束得到激光器199沉积过程中的曲率分布及演化规律和残余变形引起的曲率分布特点。此时，通过右45
°
测试区131、左45
°
测试区132、上y测试区121、下y测试区122、右x测试区141、左x测试区142、右-45
°
测试区112和左-45
°
测试区111的曲率信息即可得到不同工艺对应的增材制造产品变形信息在x方向、z方向和与x轴夹角为45
°
、-45
°
四个方向上的分布规律和大小，进而基于变形数据对工艺参数进行调整。
54.应用实例
55.本发明的一个应用实例中，包括载体100，载体转接件200，载体左固定螺栓220，载体右固定螺栓210，支架转接件230，载体支架300，光路反射镜400，反射镜转接件500，反射镜左固定螺栓520，反射镜右固定螺栓510，基座连杆600，基座700。其中，载体100、载体转接件200、载体左固定螺栓220、载体右固定螺栓210、支架转接件230、载体支架300、反射镜转接件500、反射镜左固定螺栓520、反射镜右固定螺栓510、基座连杆600和基座700的材质相同，可以为304不锈钢、镍基合金gh4169等可用于承载高温熔融的金属，从价格、加工难易等方面考虑，优选为304不锈钢，光路反射镜400的材质为镀光学反射膜的玻璃；金属增材制造拓扑设计优化结构需要各向异性的材料。
56.图9为本发明示例性实施例的力学性能表征装置在送粉式增材制造设备应用时的结构示意图，如图9所示，上述应用实例的操作过程如下：
57.步骤(1)、设计送粉式增材制造的工艺参数；
58.步骤(2)、将上述装置安装在送粉式增材制造设备的工作平台上，其中激光器199
为送粉式增材制造设备中用于金属沉积成型；
59.步骤(3)、通过载体100和光路反射镜400沿着载体转接件通孔202和反射镜转接件通孔502的轴线旋转功能，将载体100与基座700表面之间的夹角调整至0
°
；
60.步骤(4)、调整光路反射镜400的空间位置使相干梯度敏感干涉变形测量系统发出的测量光路满足干涉成像要求；
61.步骤(5)、待光路反射镜400和载体100的位置调整好后相干梯度敏感干涉变形测量系统开始采集实时曲率数据，同时激光器199开始按照工艺参数将熔融态金属沉积在载体上表面191上直至整个表面完全覆满；
62.步骤(6)、等待铺满熔融金属的载体100完全冷却结束得到激光器199沉积过程中的曲率分布及演化规律和残余变形引起的曲率分布特点；
63.步骤(7)、通过右45
°
测试区131、左45
°
测试区132、上y测试区121、下y测试区122、右x测试区141、左x测试区142、右-45
°
测试区112和左-45
°
测试区111的曲率信息即可得到不同工艺对应的增材制造产品变形信息在x方向、y方向和与x轴夹角为45
°
、-45
°
四个方向上的分布规律和大小；
64.步骤(8)、根据x方向、y方向和与x轴夹角为45
°
、-45
°
四个方向上的实时曲率数据和残余变形分布规律和大小对工艺参数进行调整，直至获得满足拓扑优化特点的工艺参数。例如需要送粉式增材制造产品的残余应力各向异性最为明显时，则通过本发明可获得制造过程中的实时曲率数据和残余变形特点，进而可制造出x方向和y方向的曲率相差最大的增材制造部件及其对应的工艺参数。
65.步骤(9)、如若分析送粉式增材制造中成型部件空间位置对其力学性能的影响，此时需要通过载体100和光路反射镜400沿着载体转接件通孔202和反射镜转接件通孔502的轴线旋转功能，将载体100与基座700表面之间的夹角调整至不同角度，然后重复步骤4至步骤8，通载体100与基座700表面之间的夹角和四个方向上的分布规律和大小得到送粉式增材制造中成型部件空间位置对其力学性能的影响；如果不需要分析送粉式增材制造中成型部件空间位置对其力学性能的影响，步骤(9)不操作直至转至步骤(10)；
66.步骤(10)、试验结束。
67.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述装置包括：载体(100)、载体转接设备、载体支架(300)、光路反射镜(400)、反射镜转接件(500)、基座连杆(600)和基座(700)；其中，所述载体(100)通过载体转接设备与载体支架(300)螺纹连接；所述光路反射镜(400)通过反射镜转接件(500)与所述基座连杆(600)螺纹连接于所述载体支架(300)内部；所述基座连杆(600)与所述基座(700)螺纹连接。2.根据权利要求1所述的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述载体(100)设计成“米”字式；其中，所述载体(100)的载体上表面(191)为增材制造成型结构的承载表面；所述载体(100)的载体下表面(192)为经抛光处理达到镜面反射要求；所述载体(100)的右45
°
测试区(131)、左45
°
测试区(132)、上y测试区(121)、下y测试区(122)、右x测试区(141)、左x测试区(142)、右-45
°
测试区(112)和左-45
°
测试区(111)的矩形截面积及形状相同，且相邻部分夹角互为45
°
；所述载体(100)的特征尺寸包括：a为20～30cm，b为20～30mm，厚度h为10～15mm。3.根据权利要求1或2所述的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述载体转接设备包括：载体转接件(200)，载体左固定螺栓(220)，载体右固定螺栓(210)，支架转接件(230)；其中，所述载体转接件(200)与支架转接件(230)通过载体左固定螺栓(220)和载体右固定螺栓(210)螺纹嵌套结构同轴安装。4.根据权利要求3所述的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述载体(100)正中心设置有载体螺纹孔(101)；其中，所述载体(100)和载体转接件(200)通过载体螺纹孔(101)和转接件螺栓(201)连接。5.根据权利要求3所述的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述的支架转接件(230)与载体支架(300)通过支架转接件螺栓(231)和载体支架螺纹孔(303)连接。6.根据权利要求1所述的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述载体(100)和光路反射镜(400)沿着载体转接件通孔(202)和反射镜转接件通孔(502)的轴线旋转。7.根据权利要求1所述的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述载体支架(300)上设置有4个载体支架腿(301)；所述基座(700)上设置有与载体支架腿(301)尺寸和空间位置对应的基座限位槽(701)，其中，所述载体支架(300)与基座(700)通过载体支架腿(301)与基座限位槽(701)的镶嵌结构连接。8.根据权利要求7所述的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述基座(700)与基座连杆(600)通过基座螺纹孔(702)和连杆螺栓(620)连接。
9.根据权利要求8所述的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述的基座连杆(600)与反射镜转接件(500)通过左固定螺栓(520)和右固定螺栓(510)螺纹嵌套结构同轴安装。10.根据权利要求8所述的面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，其特征在于，所述反射镜转接件(500)与光路反射镜(400)通过光路反射镜螺纹孔(402)和反射镜转接件螺栓(501)连接。

技术总结
本发明公开了一种面向金属增材制造拓扑设计优化的力学性能分析调控装置，涉及增材制造航空发动机设计及制造技术领域，所述装置包括：载体、载体转接设备、载体支架、光路反射镜、反射镜转接件、基座连杆和基座；其中，所述载体通过载体转接设备与载体支架螺纹连接；所述光路反射镜通过反射镜转接件与所述基座连杆螺纹连接于所述载体支架内部；所述基座连杆与所述基座螺纹连接。该装置用于解决送粉式增材制造产品内应力空间分布规律和大小的快速原位表征难题，进而为增材制造航空发动机部件拓扑设计优化仿真提供本构关系工艺相关性分析及调控提供技术支持。调控提供技术支持。调控提供技术支持。


技术研发人员：李加强 钱正明 吴沛 刘思凡 米栋 文长龙 张立章
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/9