《增材制造+結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求gbt+43148-2023》詳細(xì)解讀

《增材制造結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求gb/t43148-2023》詳細(xì)解讀contents目錄1范圍2規(guī)范性引用文件3術(shù)語和定義4結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)總體要求4.1通則4.2設(shè)計(jì)流程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)contents目錄5.2其他多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.3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6.1概述6.2基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程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7.3封閉空腔contents目錄7.4模型擺放7.5應(yīng)力集中附錄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011范圍適用于增材制造的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)本標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了增材制造結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的相關(guān)術(shù)語和定義、要求、驗(yàn)證與評(píng)價(jià)等內(nèi)容。涉及多個(gè)行業(yè)應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于航空航天、汽車、船舶等行業(yè)的增材制造結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，還可為其他行業(yè)提供借鑒和參考。1范圍022規(guī)范性引用文件本標(biāo)準(zhǔn)中引用的文件包括了增材制造、材料、設(shè)計(jì)、工藝、檢測(cè)等方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。確保結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量和性能符合行業(yè)要求，提升增材制造產(chǎn)品的可靠性和耐久性。范圍目的2規(guī)范性引用文件033術(shù)語和定義定義01增材制造是一種通過逐層堆積材料來制造物體的過程。它采用三維CAD數(shù)據(jù)，通常使用粉末狀、液態(tài)或絲狀的材料，按照特定的工藝步驟進(jìn)行逐層堆積，最終形成所需的實(shí)體或零件。別名02增材制造也被稱為3D打印，是近年來快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)之一。技術(shù)特點(diǎn)03增材制造技術(shù)具有高度的設(shè)計(jì)自由度和制造靈活性，能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)方法難以加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且材料利用率高，有助于實(shí)現(xiàn)綠色制造。3術(shù)語和定義044結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)總體要求03環(huán)境友好推動(dòng)輕量化設(shè)計(jì)有助于減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，提升產(chǎn)品的環(huán)保性能。01減重目標(biāo)在滿足功能需求和使用性能的前提下，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整體重量的降低。02節(jié)能降耗輕量化設(shè)計(jì)有助于減少材料消耗和能源消耗，降低產(chǎn)品制造和使用過程中的能耗。4結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)總體要求054.1通則安全性原則增材制造結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)確保產(chǎn)品在正常使用條件下的安全性，遵循國(guó)家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。功能性原則輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足產(chǎn)品使用功能的前提下進(jìn)行，不得降低產(chǎn)品的既定性能指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)性原則輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮材料成本、制造成本以及使用成本等因素，力求達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益。4.1通則064.2設(shè)計(jì)流程明確輕量化設(shè)計(jì)的具體指標(biāo)，如減重比例、結(jié)構(gòu)剛度等。綜合考慮產(chǎn)品的功能、性能、成本等因素，制定合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)。與相關(guān)團(tuán)隊(duì)成員充分溝通，確保設(shè)計(jì)目標(biāo)的可行性和達(dá)成共識(shí)。4.2設(shè)計(jì)流程075基于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求輕質(zhì)高強(qiáng)通過優(yōu)化多孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)材料的質(zhì)量減輕，同時(shí)保持或提升結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。功能集成多孔結(jié)構(gòu)可融入多種功能，如散熱、吸能、減振等，提升產(chǎn)品的綜合性能。制造可行設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)時(shí)需考慮增材制造的工藝特點(diǎn)和設(shè)備能力，確保結(jié)構(gòu)可制造性。5基于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求085.1三維點(diǎn)陣設(shè)計(jì)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)材料的高效利用，顯著降低構(gòu)件重量。輕量化三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，能夠承受較大的載荷。高比強(qiáng)度與比剛度可通過設(shè)計(jì)不同的點(diǎn)陣構(gòu)型和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)特定的功能需求，如隔熱、吸能等。功能性5.1三維點(diǎn)陣設(shè)計(jì)095.2其他多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開孔設(shè)計(jì)提供流體通道，適用于需要液體或氣體滲透的應(yīng)用場(chǎng)景。閉孔設(shè)計(jì)提供更好的隔熱性能和更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，適用于對(duì)密封性要求較高的場(chǎng)合?；旌峡自O(shè)計(jì)結(jié)合開孔和閉孔的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多功能性能需求。5.2其他多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)105.3梯度點(diǎn)陣設(shè)計(jì)輕量化與高強(qiáng)度通過優(yōu)化點(diǎn)陣構(gòu)型和材料分布，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，同時(shí)保持較高的強(qiáng)度和剛度。設(shè)計(jì)與制造靈活性梯度點(diǎn)陣設(shè)計(jì)具有高度的設(shè)計(jì)自由度，可根據(jù)實(shí)際需求定制點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，增材制造技術(shù)則為其制造提供了便利。結(jié)構(gòu)與功能一體化梯度點(diǎn)陣設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的有機(jī)融合，提高材料利用率和構(gòu)件性能。5.3梯度點(diǎn)陣設(shè)計(jì)116基于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求變量密度法基于邊界演化的思想，通過不斷更新水平集函數(shù)來描述結(jié)構(gòu)邊界的變化，從而達(dá)到拓?fù)鋬?yōu)化的目的。水平集法拓?fù)涿枋龊瘮?shù)法通過構(gòu)造一個(gè)連續(xù)可微的拓?fù)涿枋龊瘮?shù)，以該函數(shù)值的大小來表示材料的有無，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。通過改變?cè)O(shè)計(jì)域內(nèi)各點(diǎn)的材料密度，尋求最優(yōu)的材料分布，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。6基于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求126.1概述標(biāo)準(zhǔn)制定背景隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)在航空航天、汽車、模具等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。為了規(guī)范輕量化設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，制定本標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)適用范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了增材制造結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的一般要求、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方法、驗(yàn)證與評(píng)估等方面內(nèi)容，適用于采用增材制造技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的組織和個(gè)人。與其他標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系本標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)有的增材制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，共同構(gòu)成了增材制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)體系。同時(shí)，本標(biāo)準(zhǔn)還引用了其他國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以確保其先進(jìn)性和實(shí)用性。6.1概述136.2基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程明確結(jié)構(gòu)在輕量化后的性能要求，如承載能力、剛度、穩(wěn)定性等。結(jié)構(gòu)性能要求考慮所使用材料的物理和機(jī)械性能，如密度、彈性模量、屈服強(qiáng)度等。材料屬性考慮增材制造工藝的特點(diǎn)和限制，如最小壁厚、支撐結(jié)構(gòu)需求等。制造工藝約束6.2基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程147增材制造工藝約束設(shè)計(jì)要求123根據(jù)所選增材制造材料的特性，選擇合適的工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度、粉末層厚度等，以確保構(gòu)件的質(zhì)量和性能。材料特性考慮針對(duì)不同增材制造設(shè)備的技術(shù)規(guī)格和加工能力，合理調(diào)整工藝參數(shù)，避免因設(shè)備限制而影響構(gòu)件的成形精度和效率。設(shè)備能力限制優(yōu)選經(jīng)過驗(yàn)證的穩(wěn)定工藝參數(shù)組合，提高構(gòu)件增材制造過程的穩(wěn)定性和可靠性，降低不良品率。穩(wěn)定性與可靠性7增材制造工藝約束設(shè)計(jì)要求157.1極限加工尺寸約束明確增材制造過程中，結(jié)構(gòu)和零件在加工尺寸上的最大限制，確保打印成品的完整性和性能。定義與意義極限加工尺寸受打印機(jī)型號(hào)、打印材料、打印工藝參數(shù)以及后處理工藝等多種因素影響。影響因素通過綜合考慮打印設(shè)備的性能參數(shù)、打印材料的特性以及實(shí)際生產(chǎn)需求，來合理確定極限加工尺寸約束。確定方法7.1極限加工尺寸約束167.2懸垂約束懸垂約束是指在增材制造過程中，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和打印工藝的限制，某些部分在打印時(shí)需要以懸垂?fàn)顟B(tài)進(jìn)行構(gòu)建。這種約束對(duì)于打印件的精度、表面質(zhì)量和機(jī)械性能都有重要影響，因此需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行充分考慮。懸垂約束通常與打印材料的性質(zhì)、打印設(shè)備的性能以及打印參數(shù)的設(shè)置密切相關(guān)。7.2懸垂約束177.3封閉空腔定義封閉空腔是指在增材制造過程中，完全閉合且中空的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。分類根據(jù)形狀和用途，封閉空腔可分為規(guī)則型、異型以及功能型等。7.3封閉空腔187.4模型擺放避免懸空結(jié)構(gòu)盡量減少或避免模型中出現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)，以降低打印難度和提高打印成功率。利用自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型時(shí)，可巧妙利用自支撐結(jié)構(gòu)，使模型在某些角度下能自行支撐，從而減少支撐材料的使用。優(yōu)先考慮制造效率選擇擺放方向時(shí)，應(yīng)使零件的主要表面與打印平臺(tái)平行，以最大限度地減少支撐結(jié)構(gòu)，提高制造效率。7.4模型擺放197.5應(yīng)力集中03應(yīng)力集中是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在服役過程中發(fā)生疲勞斷裂的重要因素之一。01應(yīng)力集中是指結(jié)構(gòu)在幾何形狀突變或材料性質(zhì)不均勻處，局部應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象。02在增材制造過程中，由于層層堆積的成型方式，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。7.5應(yīng)力集中20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)示意圖輕量化與強(qiáng)度平衡多孔結(jié)構(gòu)通過在材料中引入孔隙，降低整體密度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。設(shè)計(jì)時(shí)需權(quán)衡輕量化與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保在滿足使用性能的前提下實(shí)現(xiàn)最大化減重?？紫斗植寂c優(yōu)化孔隙的分布、大小和形狀對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的性能具有重要影響。設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際需求，通過優(yōu)化孔隙參數(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化與特定性能的最佳匹配。制造工藝性多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需充分考慮制造工藝性，確保所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠順利通過增材制造等工藝實(shí)現(xiàn)，并降低制造過程中的難度與成本。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21附錄B(資料性)典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能蜂窩結(jié)構(gòu)是一種由多個(gè)正六邊形組成的平面結(jié)構(gòu)，類似于自然界中蜜蜂的蜂巢。在增材制造中，蜂窩結(jié)構(gòu)常被用于實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)保持良好的力學(xué)性能。通過精確控制蜂窩結(jié)構(gòu)的大小、形狀和分布，可以實(shí)現(xiàn)定制化的力學(xué)性能。附錄B(資料性)典型蜂窩結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能