優(yōu)化后的電弧增材制造鋼桁架的試驗與分析

來源：增材制造金屬結構

本文介紹了一種金屬增材制造（AM）方法——電弧增材制造（WAAM），它可以以經濟有效的方式制造復雜形狀的大型結構單元，為釋放結構優(yōu)化的真正潛力提供了機會。為了展示這種潛力，研究人員通過WAAM制造了兩個優(yōu)化的鋼懸臂桁架，并對其結構性能進行了測試。測試樣品由不同直徑和厚度的管狀截面構成，利用三維激光掃描確定測試樣品的幾何特征，并采用數字圖像相關方法（DIC）監(jiān)測測試過程中的位移場和應變場。文章提供了實驗方案的詳細信息，對所獲得的結果進行了分析，并與等效的傳統(tǒng)參考設計進行了比較。此外，還介紹了補充數值模擬（FE software ABAQUS）的結果，以進一步了解所研究試樣的結構響應的特定特征。研究發(fā)現，所有優(yōu)化的桁架的結構效率（以體積與質量比為度量）至少比相應參考設計高出80%，突顯了WAAM與先進優(yōu)化方法相結合所能實現的結構效率方面的優(yōu)勢。

研究背景
電弧增材制造（WAAM）是一種定向能量沉積（DED）AM方法，近年來在航空、汽車、生物工程和海洋等多個行業(yè)和領域得到了廣泛應用。WAAM具有幾乎沒有幾何限制的特點，可以制造復雜幾何形狀的材料高效結構。本研究旨在通過優(yōu)化設計和WAAM制造方法，展示WAAM與先進優(yōu)化方法相結合在結構效率和自動化方面的優(yōu)勢。研究通過制造優(yōu)化的WAAM懸臂桁架，并進行實驗測試和數值模擬分析，評估其結構性能和效率。

實驗方案
這項研究的主要目標是測試和分析優(yōu)化的電弧增材制造鋼桁架的性能。研究如何通過優(yōu)化幾何形狀和材料使用來提高鋼桁架的性能。為了解決這個問題，研究采用了以下方法：

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

圖1 確定桁架幾何形狀所采用的優(yōu)化過程

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

圖2 優(yōu)化后的懸臂桁架

實驗測試：制造優(yōu)化的鋼桁架，并進行全面的實驗測試，包括加載測試和位移測量。通過測試，評估鋼桁架的性能和負荷承載能力。

圖3 懸臂桁架的加載測試準備

圖4 懸臂桁架光學測量前表面預處理

圖5 懸臂桁架的位移測量準備

數值模擬：使用有限元分析軟件（FE software ABAQUS）對優(yōu)化的鋼桁架進行數值模擬，以進一步了解其結構響應和負荷承載能力。

圖6 懸臂桁架的有限元模型

試驗結果

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

圖7 (a)拉伸斷裂破壞  (b)斷裂部位應變場特寫  (c)極限荷載時桁架結構整體DIC應變場

（2）主要結論

本文的研究旨在測試和分析優(yōu)化的電弧增材制造鋼桁架的性能。研究結果表明，通過電弧增材制造（WAAM）技術和優(yōu)化方法相結合，可以實現材料的減少和結構效率的提高。具體結論如下：

（1）通過優(yōu)化設計和WAAM制造技術，可以實現鋼桁架的輕量化和材料的節(jié)約。優(yōu)化的鋼桁架的質量（和典型橫截面積）比參考設計低18%，但其體積質量比至少比參考設計高80%。

表1  WAAM懸臂梁的幾何性質

圖8 WAAM桁架試驗荷載-撓度曲線

（2）通過實驗測試和有限元模擬，驗證了優(yōu)化的鋼桁架的承載能力和結構響應。實驗結果顯示，優(yōu)化后的鋼桁架在受載過程中表現出良好的性能，達到了設計要求。

表2  WAAM桁架性能評估

圖9 試驗桁架與有限元桁架荷載-變形曲線對比

（3）通過數字圖像相關（DIC）技術，可以對鋼桁架的位移和應變進行全場測量。DIC結果顯示，在峰值載荷下，所有桁架構件都受到了較大的應力，反映了優(yōu)化幾何形狀實現的材料的充分利用。

圖10 極限荷載時桁架結構整體DIC應變場

綜上所述，本研究表明，通過優(yōu)化設計和電弧增材制造技術，可以實現鋼桁架的輕量化和結構效率的提高，為金屬結構工程領域提供了新的制造方法和設計思路。