快速熔模铸造零件的拓扑设计与分析研究

摘要

快速熔模铸造（Rapid Investment Casting, RIC）是3D打印技术与熔模铸造相结合而形成的一种间接增材制造金属零件的生产工艺，它相对于直接增材制造具有工艺成熟、成本低、材料不限、可制造大尺寸零件、不需去除支撑等优势。同时，它也与直接增材制造一样，能够制造轻量化的复杂拓扑结构零件。过去的常规结构零件受限于传统的减材制造方法，未能更好的进行拓扑设计，包括基于优化算法的拓扑优化设计以及基于经验知识的晶格化设计。对传统结构零件重新进行拓扑设计，将会充分发挥RIC工艺的潜能，推动产品设计与制造模式的变革。
　　本文面向快速熔模铸造工艺所生产的零件，对其拓扑设计(CAD)、结构分析（CAE）以及铸造工艺分析（ CACE, Computer Aided Casting Engineering）进行研究，期望探索一种CAD/CAE/CACE集成化方法。主要研究内容如下：
　　第一，面向RIC的拓扑优化设计与分析研究。为了提高RIC零件的拓扑优化设计效率，提出了一种集成化的拓扑优化设计方法，并通过机器人抓手拓扑优化设计实例进行了具体说明；然后采用该方法对飞机上的某轴承支架进行了拓扑优化设计。
　　第二，面向RIC的晶格拓扑设计与分析研究。对航空航天领域的点阵夹芯结构进行了参数分析，并对点阵夹芯结构进行了晶格拓扑设计和分析，然后将晶格结构用于涡轮叶片的拓扑设计中，得到了三种芯子形式的晶格结构涡轮叶片，通过有限元分析表明了该结构具有更高的综合热力学性能。
　　第三，RIC零件的熔模铸造仿真分析研究。将飞机上某轴承支架和金字塔点阵夹芯结构分别作为拓扑优化和晶格结构拓扑设计的例子，采用ProCAST软件对充型、凝固过程进行了仿真分析，并通过缺陷分析对缩孔缩松进行了预测。通过分析复杂RIC零件的可铸造工艺条件，为其铸造工艺选择提供了借鉴。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 3DP、熔模铸造、RIC的研究现状

1.3 拓扑设计技术的研究现状

1.4 研究目标、研究内容和论文结构安排

第二章 面向RIC的拓扑优化设计与分析

2.1 引言

2.2 拓扑优化理论与方法

2.3 面向RIC的传统拓扑优化设计案例

2.4 面向RIC的集成化拓扑优化设计方法

2.5 面向RIC的集成化拓扑优化设计案例

2.6 3D打印实验

2.7 本章小结

第三章 面向RIC的晶格拓扑设计与分析

3.1 引言

3.2 点阵夹芯结构参数分析

3.3 点阵夹芯结构晶格拓扑设计和分析

3.4 涡轮叶片晶格拓扑设计和分析

3.5 晶格结构3D打印实验

3.6 本章小结

第四章 RIC零件的熔模铸造仿真分析

4.1 引言

4.2 熔模铸造理论基础

4.3轴承支架熔模铸造仿真分析

4.4 金字塔点阵夹芯结构熔模铸造仿真分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文