基于3D打印的減速箱體拓撲優化及應用

郭西園 衛鐘可 杜建國 趙黎明

基于3D打印的減速箱體拓撲優化及應用

郭西園1衛鐘可1杜建國1趙黎明2

（1. 山西航天清華裝備有限責任公司，長治 046000；2. 北京航天發射技術研究所，北京 100076）

針對航天地面設備產品小型化、輕量化、集成化發展趨勢，以某減速箱零件為研究對象，構建拓撲優化總體方案，通過仿真-拓撲-綜合-重建-仿真等技術路徑，實現減速箱體的優化設計，經過零件打印及載荷試驗驗證，確認基于3D打印的產品拓撲優化設計方法的可行性。

減速箱體；拓撲優化；3D打印

1 引言

航天地面設備安全性要求高，常規的構建思路是根據輸入要求，以體、柱、球、孔、槽等參數化特征組合成形，經仿真驗證滿足要求后確定最終零件尺寸，這種設計方法簡單、適于加工，但是材料利用率低，難以適應受限空間或者限定重量的零件設計需求。

隨著設備集成化、輕量化的發展需求[1]，對產品的設計提出了更高的要求，因此有必要開展新的構建方法研究，在保證輕量化設計目標的基礎上，同時滿足剛度強度要求。

本文以減速箱零件為研究對象，通過材料選擇、拓撲優化、仿真分析、3D打印、加工驗證及載荷試驗，開展基于3D打印的拓撲優化應用驗證。

2 零件分析

2.1 結構分析

減速箱為支撐結構部件，交叉孔道，起到結構固定、支撐傳載、承受載荷等作用，減速箱體現用材料為45#鋼，兩側面承受最大10t的壓力及拉力載荷，經力學仿真分析，最大等效應力為149MPa，結果如圖1所示。

圖1 減速箱結構示意及額定載荷受力分析結果

2.2 方案選擇

減速箱外形尺寸241mm×148mm×250mm，整體偏小，其內部孔道交叉、外部圓柱外形與方體特征相貫，其中外圓、內孔等多為名義尺寸，傳動的加工需要采用鍛件毛坯或者大尺寸棒料以減材的方式實現，去除量大、機加工藝性較差、加工困難。同時通過受力分析結果可知，零件應力主要分布在少數的交叉部位，其余結構有很大的材料精簡空間，為零件輕量化設計提供可能。因此零件可采用高精度增材成型方式，將復雜特征尺寸直接生成，對于配合面留1～2mm機加余量即可，因此減速箱可以采用SLM的3D打印方式制備驗證。

2.3 材料選型

對于SLM 3D打印來說，常用的粉材有鈦合金、鋁合金、高溫合金、不銹鋼、銅合金等，其中不銹鋼性能與45#鋼接近且應用成熟，打印抗拉強度在600～700MPa，滿足載荷強度需要，故零件采用不銹鋼進行制備，初選牌號為316L（022Cr17Ni12Mo2）。

3 優化過程

3.1 拓撲優化

減速箱結構復雜、受力簡單，可以面向增材制造的思維對零件模型進行重構，以拓撲的方式進行材料受力的分布優化，并形成全新的構型設計，通過SLM 3D打印，最終實現零件的減重與結構優化。通過設計優化區域、約束條件、求解參數等，獲得各種優化結果如圖2所示。

圖2 減速箱各種拓撲結果

3.2 正向再設計

零件的拓撲結果雖然滿足產品的工況應用，由于特征比較發散，不宜作為直接打印的模型，考慮工程實際應用場景，一般需要參考拓撲結果進行零件的再設計。根據拓撲結果，選取幾種方案對零件進行正向設計。

3.3 仿真驗證

針對各種設計方案，以2倍安全系數為目標，進行2倍載荷下力學強度仿真驗證，結果見表1。

表1 各種方案仿真結果

綜合對比3種優化方案，方案C應力變形最小，因此選擇該方案作為本次打印的最終模型。

針對方案C，繼續進行標準載荷下的仿真驗證，優化后模型在標準載荷下最大應力為138MPa，原始模型在標準載荷下的最大應力為149MPa，說明通過優化不僅降低了零件的體積重量，同時通過材料再分布降低了零件的最大應力值，使零件的受力更均勻，材料利用更均衡，也提高了零件的安全裕度。

4 打印制造

4.1 打印結果

零件采用SLM方式制造，經過模型處理、支撐設置、打印參數設置、增材工藝仿真、打印過程、后處理、檢測、加工等步驟，實現零件的最終成形，結果如圖3所示。

圖3 仿真結果與實際加載試驗應力測點位置

4.2 性能驗證

對隨爐打印試料加工并進行拉伸性能試驗，試驗結果如表2所示。

表2 隨爐打印試料拉伸試驗結果

從試驗結果可知，試料的抗拉強度多在611～656MPa之間，屈服應力遠大于2倍載荷下的仿真最大應力，故判定該打印件滿足零件2倍安全系數要求。

4.3 加載驗證

零件加工完成后，進行加載試驗，驗證受力的合理性。加載按照2倍載荷工況進行，結合仿真結果及應變片布局空間，設置7個應力測點，加載結果如表3所示。

表3 2倍工作載荷（20t）加載試驗結果 MPa

根據加載結果可知，7個測點的數值中，大部分與仿真結果符合且偏小，由此判定優化后模型仿真最大應力極限合理且小于材料屈服強度，故優化后產品滿足安全性能使用需求。

5 結束語

本文以減速箱為對象，進行了復雜受力零件的增材制造研究，經分析選擇SLM增材制造方式，通過選材及仿真確定材料的可行性，并利用拓撲優化及重新建模，實現面向增材制造的零件再設計，優化后零件體積減少21%、最大等效應力降低10MPa且受力更均勻。經過打印、測量、加工、檢測、試驗等，證明拓撲優化及3D打印方案的可行性。

1 董鵬，梁曉康，趙衍華，等. 激光增材制造技術在航天構件整體化輕量化制造中的應用現狀與展望[J]. 航天制造技術，2018(1)：7～11

Topology Optimization and Application of Gearbox Based on 3D Printing

Guo Xiyuan1Wei Zhongke1Du Jianguo1Zhao Liming2

(1. Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046000; 2. Beijing Institute of Space launch Technology, Beijing 100076)

With the trend of miniaturization, lightweight and integration of aerospace ground equipment, build a overall scheme topology optimization by gearbox part. through the technology path of simulation-topology-rebuild-simulation, get the optimization design. Through the verification of 3D printing and load test, confirm the feasibility of topology optimization design method by 3D printing.

gearbox；topology optimization；3D printing

TH137

C

郭西園（1987），高級工程師，航空宇航制造工程專業；研究方向：先進制造技術。

2022-09-21