優(yōu)化后的電弧增材制造鋼桁架的試驗(yàn)與分析

來(lái)源：增材制造金屬結(jié)構(gòu)

本文介紹了一種金屬增材制造（AM）方法——電弧增材制造（WAAM）,，它可以以經(jīng)濟(jì)有效的方式制造復(fù)雜形狀的大型結(jié)構(gòu)單元,，為釋放結(jié)構(gòu)優(yōu)化的真正潛力提供了機(jī)會(huì),。為了展示這種潛力，研究人員通過(guò)WAAM制造了兩個(gè)優(yōu)化的鋼懸臂桁架，并對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了測(cè)試,。測(cè)試樣品由不同直徑和厚度的管狀截面構(gòu)成,，利用三維激光掃描確定測(cè)試樣品的幾何特征，并采用數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC）監(jiān)測(cè)測(cè)試過(guò)程中的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),。文章提供了實(shí)驗(yàn)方案的詳細(xì)信息,，對(duì)所獲得的結(jié)果進(jìn)行了分析，并與等效的傳統(tǒng)參考設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較,。此外,，還介紹了補(bǔ)充數(shù)值模擬（FE software ABAQUS）的結(jié)果，以進(jìn)一步了解所研究試樣的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特定特征,。研究發(fā)現(xiàn),，所有優(yōu)化的桁架的結(jié)構(gòu)效率（以體積與質(zhì)量比為度量）至少比相應(yīng)參考設(shè)計(jì)高出80%，突顯了WAAM與先進(jìn)優(yōu)化方法相結(jié)合所能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)效率方面的優(yōu)勢(shì),。

研究背景
電弧增材制造（WAAM）是一種定向能量沉積（DED）AM方法,，近年來(lái)在航空、汽車(chē),、生物工程和海洋等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,。WAAM具有幾乎沒(méi)有幾何限制的特點(diǎn)，可以制造復(fù)雜幾何形狀的材料高效結(jié)構(gòu),。本研究旨在通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和WAAM制造方法,，展示W(wǎng)AAM與先進(jìn)優(yōu)化方法相結(jié)合在結(jié)構(gòu)效率和自動(dòng)化方面的優(yōu)勢(shì)。研究通過(guò)制造優(yōu)化的WAAM懸臂桁架,，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬分析,，評(píng)估其結(jié)構(gòu)性能和效率。

實(shí)驗(yàn)方案
這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)是測(cè)試和分析優(yōu)化的電弧增材制造鋼桁架的性能,。研究如何通過(guò)優(yōu)化幾何形狀和材料使用來(lái)提高鋼桁架的性能,。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究采用了以下方法：

幾何優(yōu)化：通過(guò)使用有限元建模和優(yōu)化算法,，對(duì)鋼桁架的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化,，以提高其性能和負(fù)荷承載能力。

圖1 確定桁架幾何形狀所采用的優(yōu)化過(guò)程

材料使用優(yōu)化：通過(guò)分析鋼桁架的應(yīng)力分布和應(yīng)變情況,，確定每個(gè)部件的最佳厚度,，以最大程度地利用材料的強(qiáng)度。優(yōu)化后的桁架具有兩種不同的標(biāo)稱(chēng)厚度(即tnom = 3.5 mm和tnom = 4.5 mm)

圖2 優(yōu)化后的懸臂桁架

實(shí)驗(yàn)測(cè)試：制造優(yōu)化的鋼桁架,，并進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,，包括加載測(cè)試和位移測(cè)量。通過(guò)測(cè)試,，評(píng)估鋼桁架的性能和負(fù)荷承載能力,。

圖3 懸臂桁架的加載測(cè)試準(zhǔn)備

圖4 懸臂桁架光學(xué)測(cè)量前表面預(yù)處理

圖5 懸臂桁架的位移測(cè)量準(zhǔn)備

數(shù)值模擬：使用有限元分析軟件（FE software ABAQUS）對(duì)優(yōu)化的鋼桁架進(jìn)行數(shù)值模擬，以進(jìn)一步了解其結(jié)構(gòu)響應(yīng)和負(fù)荷承載能力。

圖6 懸臂桁架的有限元模型

試驗(yàn)結(jié)果

（1）破壞形態(tài)
兩個(gè)試件在圖7(c)所示(白色虛線圈住)的接縫處,，均發(fā)生了3.5 mm厚管狀構(gòu)件的拉伸斷裂,，如圖7(a)所示。在峰值荷載下,，典型的DIC應(yīng)變場(chǎng)如圖7(c)所示,，其中所有桁架構(gòu)件都受到了嚴(yán)重的應(yīng)力，表明由于優(yōu)化了桁架結(jié)構(gòu)的幾何特征,，材料得到了的充分利用,。圖7(b)為斷裂部位應(yīng)變場(chǎng)的近景圖，應(yīng)變水平接近材料的極限拉伸應(yīng)變(εu = 0.13),。

圖7 (a)拉伸斷裂破壞  (b)斷裂部位應(yīng)變場(chǎng)特寫(xiě)  (c)極限荷載時(shí)桁架結(jié)構(gòu)整體DIC應(yīng)變場(chǎng)

（2）主要結(jié)論

本文的研究旨在測(cè)試和分析優(yōu)化的電弧增材制造鋼桁架的性能,。研究結(jié)果表明，通過(guò)電弧增材制造（WAAM）技術(shù)和優(yōu)化方法相結(jié)合,，可以實(shí)現(xiàn)材料的減少和結(jié)構(gòu)效率的提高,。具體結(jié)論如下：

（1）通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和WAAM制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)鋼桁架的輕量化和材料的節(jié)約,。優(yōu)化的鋼桁架的質(zhì)量（和典型橫截面積）比參考設(shè)計(jì)低18%,，但其體積質(zhì)量比至少比參考設(shè)計(jì)高80%。

表1  WAAM懸臂梁的幾何性質(zhì)

圖8 WAAM桁架試驗(yàn)荷載-撓度曲線

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和有限元模擬,，驗(yàn)證了優(yōu)化的鋼桁架的承載能力和結(jié)構(gòu)響應(yīng),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化后的鋼桁架在受載過(guò)程中表現(xiàn)出良好的性能,，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,。

表2  WAAM桁架性能評(píng)估

圖9 試驗(yàn)桁架與有限元桁架荷載-變形曲線對(duì)比

（3）通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，可以對(duì)鋼桁架的位移和應(yīng)變進(jìn)行全場(chǎng)測(cè)量,。DIC結(jié)果顯示,，在峰值載荷下，所有桁架構(gòu)件都受到了較大的應(yīng)力,，反映了優(yōu)化幾何形狀實(shí)現(xiàn)的材料的充分利用,。

圖10 極限荷載時(shí)桁架結(jié)構(gòu)整體DIC應(yīng)變場(chǎng)

綜上所述，本研究表明,，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和電弧增材制造技術(shù),，可以實(shí)現(xiàn)鋼桁架的輕量化和結(jié)構(gòu)效率的提高，為金屬結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域提供了新的制造方法和設(shè)計(jì)思路,。