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| 1 | 金属增材制造若干关键力学问题研究进展显示文摘金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术,在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间.该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题.本文针对其中涉及的若干关键力学问题,阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展,并对金属增材制造的结构设计-制造模拟-性能评价的发展趋势进行了展望. | 廉艳平 王潘丁 高杰 刘继凯 李取浩 刘长猛 贺小帆 高亮 李好 雷红帅 李会民 肖登宝 郭旭 方岱宁 | 2021 | 力学进展2021，51，3： | 34 |
| 2 | 面向增材制造的拓扑优化设计模块分析显示文摘拓扑优化是设计高性能、轻量化创新性结构的重要方法,增材制造技术采用逐层累加方式制备零件,使复杂拓扑结构的制造成为可能,二者结合具有天然的优势。为进一步深化拓扑优化在工程领域的应用,开发面向增材制造的拓扑优化设计模块势在必行。对Autodesk Netfabb、Altair Inspire、Siemens NX和PTC Creo四款主流软件的拓扑优化功能进行了对比分析,在此基础上提出了面向增材制造的拓扑优化设计的发展方向,以期为开发国产化工业软件提供参考。 | 梁雄 杜平 朱丽君 张余益 王佐 罗勇 李双寿 | 2021 | 制造技术与机床2021，，5： | 9 |
| 3 | 拓扑优化与增材制造技术的融合及其在民用飞行器设计中的应用显示文摘拓扑优化与增材制造为实现轻质高性能复杂结构提供了全新研制模式。回顾了作者团队近年来围绕拓扑优化与增材制造技术融合研究的相关内容,包括考虑增材制造悬空角、连通性工艺约束的拓扑优化设计方法研究,非均匀点阵结构优化设计方法研究等。以典型民用飞行器结构舱门摇臂及铰链臂结构设计为例,介绍了拓扑优化与增材制造融合技术的工程应用情况。在满足设计指标的前提下,舱门摇臂与铰链臂结构分别减重10%、30%。拓扑优化方法与增材制造技术的融合在航空航天等领域优势明显,但目前以传统的静刚度、静强度等常规承载性能设计为主,工程应用主要集中在功能件和次承力件,未来需要在抗疲劳设计等研究领域进行突破。 | 谷小军 李城彬 王文龙 周璐 朱继宏 张卫红 | 2022 | 航空制造技术2022，65，14： | 9 |
| 4 | 增材制造复杂金属构件表面抛光技术显示文摘增材制造可以满足航空航天领域对零件的高复杂性、高性能、轻量化以及多功能化的要求,但其制造复杂金属零件时在综合性能、表面质量和成形精度上仍然存在不足,必须经过表面抛光处理才能达到航空航天零件高使役性要求。通过综合国内外文献资料,详细介绍了化学抛光、电解抛光、磨粒流抛光和激光抛光这4种可达性较强的表面抛光技术的原理方法以及应用现状,接着分析了增材制造技术和表面抛光技术的发展趋势,最后进行了总结和展望。提出增材制造与表面抛光工艺相结合的工艺优化思想,并指出研制绿色智能的一体化技术装备是当前面临的重大挑战。 | 姚燕生 周瑞根 张成林 梅涛 吴敏 | 2022 | 航空学报2022，43，4： | 6 |
| 5 | 飞行器共形天线新型制造工艺及应用研究进展显示文摘共形天线具有小型化、低剖面、大孔径等特点,是未来天线重点发展趋势之一,以气动一体化天线、超宽带窄波束天线为代表的共形天线成为目前飞行器天线领域的研究热点。当前共形天线的制作工艺主要包括打印、转印、激光加工等,采用合适的工艺能够实现天线的大面积共形制造。讨论了共形天线在不同飞行器载体上的优势,如打印制作的低剖面机载天线可实现战机的气动隐身一体化需求,也可满足弹载天线小型超宽带需求,柔性天线可应用于星载充气可展开天线等。在此基础上对当前共形天线存在的关键技术问题进行了阐述,并对共形天线在航空航天领域的未来发展做出了展望。 | 史则颖 叶冬 彭子寒 谢寒 王洪扬 蒋宇 黄永安 | 2021 | 航空学报2021，42，10： | 5 |
| 6 | 选择性激光熔化过程中熔池演变与金属飞溅特性数值模拟显示文摘选择性激光熔化(SLM)成形技术是新型增材制造技术的一个重要发展领域。通过建立用于选择性激光熔化成形的高保真粉末尺度激光熔化模型,展现了粉末层从开始熔化、熔滴飞溅到熔道成形、冷却凝固的全过程。熔滴飞溅行为是金属粉末层熔合工艺中难以避免的成形缺陷来源,借助数值模拟手段还原了激光熔合过程中飞溅现象的演变过程,克服了实际实验难以捕捉到熔池内部及熔滴飞溅行为定量表征信息的难题,获取了熔融液滴飞溅的变形机制以及飞溅过程中随时间变化的温度、速度、压力、位置偏移等信息。结果显示,金属蒸气作用与惰性气体流动共同驱动了熔池流动与熔滴的飞溅行为,高温熔体流速为1~6m/s,熔滴飞溅速度为1~4m/s。随着工艺参数的调整,飞溅熔滴的体积形态与飞溅方向均发生变化。结合实验分析,追踪了熔滴飞溅的运动轨迹以及熔滴在空中飞溅时的“二次爆炸”与“旋球”行为。该研究补充了实际实验对于飞溅行为的分析理解,通过提取飞溅物完整寿命周期能量吸收耗散的量化信息,进一步促进了激光熔合过程中复杂的流体流动与飞溅现象的动力学表征。 | 曲睿智 黄良沛 肖冬明 | 2022 | 航空学报2022，43，4： | 5 |
| 7 | 增材制造三维点阵结构设计、优化与性能表征方法研究进展显示文摘增材制造技术与三维点阵结构技术是航空航天装备结构实现轻量化与多功能化的重要途径。针对增材制造三维点阵结构及其设计方法进行概述,重点介绍了增材制造三维点阵结构工程应用、轻质多功能三维点阵结构构型设计方法、三维点阵结构多尺度计算方法与拓扑优化方法、增材制造三维点阵结构性能评价表征方法等方面的研究现状与进展,对增材制造三维点阵结构在材料–结构–功能一体化设计方面的发展趋势进行了展望。 | 段晟昱 王潘丁 刘畅 赵则昂 周浩 张啸雨 雷红帅 郭旭 方岱宁 | 2022 | 航空制造技术2022，65，14： | 4 |
| 8 | 微小型航空燃气轮机离心叶轮拓扑优化设计显示文摘离心叶轮是微小型航空燃气轮机中的关键部件,要求其在满足气动性能的前提下,尽量减轻结构重量,传统设计制造技术已基本发挥到极致,但增材制造技术及拓扑优化设计方法的发展为其进一步优化设计拓展了新的空间。针对某型航空微型燃气轮机离心叶轮减重设计问题,依托增材制造和拓扑优化设计技术,在现有设计的基础上,首先对离心叶轮进行静强度分析,然后开展基于骨架模型的离心叶轮拓扑优化设计及可实现的工艺设计,最后对优化后的模型进行校核。结果表明:该优化设计模型实现离心叶轮减重8.7%,进一步提高了微小型航空燃气轮机的功重比;同时最大变形减少7.5%,最大等效应力减少0.59%,提升了离心叶轮工作时的安全裕度。 | 邹桐煊 王云 | 2022 | 航空工程进展2022，13，2： | 2 |
| 9 | 不锈钢增材制造件后处理工艺研究进展显示文摘由于金属材料增材制造技术的逐层成形过程特点,增材制造件存在着一些难以避免的问题,如表面粗糙、残余应力较高及由于粉末熔融不完全引起的亚表面微裂纹及气孔等,无法直接进行装配应用。综述结合了近年来国内外不锈钢增材制造件后处理工艺的研究成果及不锈钢增材制造件的缺陷类型,分析了不同增材制造工艺的区别及用途,以及目前国内外对增材制造件工艺参数的优化进展,热处理、机械加工等后处理工艺的国内外研究现状,总结了不锈钢增材制造件后处理工艺的关键问题,探讨了不锈钢增材制造件后处理工艺发展趋势。 | 李汇 李光先 高瑞麟 金鑫 刘璐 李朝将 Songlin DING | 2022 | 航空学报2022，43，4： | 2 |
| 10 | 局部有限寿命疲劳约束条件下的结构拓扑优化方法显示文摘拓扑优化方法为工程结构抗疲劳性能的改善提供了有效的设计策略,为了减少大规模局部疲劳约束引起的计算代价,往往采用P范数方法将其凝聚成全局约束,但是,满足这类弱约束的最优解与原问题的最优解存在间隙。为了精确满足局部疲劳约束和降低约束数量,采用增广拉格朗日方法将原问题处理为无约束问题,提出局部有限寿命疲劳约束条件下的结构拓扑优化方法。考虑变幅值的比例载荷作用,采用Palmgren-Miner线性损伤假设和Sines疲劳准则评价材料点的疲劳强度,以局部疲劳性能为约束条件,建立结构的轻量化设计模型,采用全局收敛移动渐近线算法求解局部疲劳约束下的结构拓扑优化问题。另外,将非结构化多边形网格技术融入到拓扑优化模型,实现复杂几何边界结构的抗疲劳轻量化设计。数值算例结果表明,与P范数方法的优化结果相比,局部疲劳约束条件下的优化结构具有更优的抗疲劳性能和更少的材料用量,因而考虑局部疲劳约束有益于材料的充分利用和结构抗疲劳性能的改善。 | 江旭东 武子旺 滕晓艳 | 2023 | 振动与冲击2023，42，16： | 1 |
| 11 | 基于有限元分析的简支梁结构优化设计显示文摘本文针对一跨度受集中载荷的简支梁进行结构设计,借助有限元分析软件,在满足强度要求的情况下对简支梁的结构进行优化设计,以期得到最轻的质量。先对简支梁进行受力分析,由强度校核公式、挠度计算公式等初步完成简支梁的截面形状尺寸设计,求得σ_(max)、Y_(max),并校核结果。然后完成结构优化,获得最优解,质量从初始方案的20.40kg优化至7.36kg。最后尝试对结构模型拓扑优化,对工程实践具有一定的指导意义。 | 刘道畅 | 2022 | 建筑机械2022，，7： | 1 |
| 12 | Roadmap for Additive Manufacturing:Toward Intellectualization and Industrialization显示文摘With the rapid development of Additive Manufacturing(AM)technology in the past 30 years,AM has been shift-ing from prototyping to advanced manufacturing of functional components in industry.Intellectualization and industrialization of AM process and equipment could be the bottlenecks to the wide industrial applications of AM technology in the future,which have been highlighted in this paper,aiming at describing the technological research roadmaps for the next 5 to 10 years.According to the data flow in the process and value chains of AM technologies,state-of-art of design methodology,material,process&equipment,smart structures,and ap-plications in extreme scales and environments has been elaborated respectively.Some suggestions on potential challenges for research and development in AM technologies have been provided in each section,which would finally establish a critical technical platform for the future industrial innovation and entrepreneurship. | Xiaoyong Tian Lingling Wu Dongdong Gu Shangqin Yuan Yufan Zhao Xiao Li Liliang Ouyang Bo Song Tong Gao Jiankang He Xin Lin Feng Lin Jihong Zhu Dichen Li | 2022 | Chinese Journal of Mechanical Engineering(Additive Manufacturing Frontiers)2022，1，1： | 1 |
| 13 | 多层尺寸梯度面心立方点阵结构力学性能研究显示文摘针对均匀点阵结构能量吸收性能低和截面梯度点阵结构刚度性能较差的问题,设计了多层尺寸梯度面心立方点阵结构,通过理论、仿真和试验方法研究了其力学性能。首先,采用SS316L不锈钢材料和选择性激光熔融(SLM)技术,制备了胞元尺寸梯度面心立方(SG-FCC)和均匀面心立方(U-FCC)两种点阵结构的试验件,并进行了准静态压缩试验;然后,在试验和有限元分析的基础上,获得了两种点阵结构在压缩过程的力学行为,基于杆梁变形理论和多层梯度点阵结构刚度组集方法,提出了两种点阵结构的等效弹性模量理论模型;最后,研究了不同梯度因子对SG-FCC点阵结构压缩性能的影响规律。试验结果表明:相比于U-FCC点阵结构,SG-FCC点阵结构的力学性能更加优异,其刚度和比刚度分别增长了17.8%和16.2%,吸能量和比吸能量分别提高了10.8%和10.36%。所提出的SG-FCC点阵结构弹性模量理论模型与试验和有限元分析结果相比吻合较好,误差小于10%,可用于SG-FCC点阵结构的刚度预测;当梯度因子为1.5时,SG-FCC点阵结构的刚度性能较好;当梯度因子为3时,SG-FCC点阵结构的吸能性能较好。该研究可为集高刚度和大吸能性能的轻质化结构设计和工程应用提供参考。 | 张武昆 谭永华 高玉闪 王珺 赵剑 | 2023 | 西安交通大学学报2023，57，11： | 1 |
| 14 | 考虑瞬态效应的周期性多材料传热结构拓扑优化显示文摘常规传热结构的周期性拓扑优化通常基于稳态热传导模型,并未考虑瞬态效应对设计结果的影响。针对瞬态热传导目标响应最大值最小化问题,搭建基于Ordered-RAMP法的多材料插值模型,提出一种周期性多材料瞬态热传导拓扑优化设计方法。该方法分别以时间历程内传热结构最高温度最小化与最高散热耗能最小化为设计目标,引入聚合函数处理设计变量的瞬态响应不可微问题,并通过重新分配单元目标函数基值实现子区域周期性约束设置。数值算例验证了所提方法的有效性和可行性。结果表明:不同热负荷工作时间下,均可得到材料分布合理、边界清晰的周期性拓扑构型,并能实现不同设计目标下的性能最优;周期性约束会对拓扑构型产生影响,且子区域数目越多优化目标越差。 | 李信卿 赵清海 龙凯 张洪信 | 2022 | 航空学报2022，43，12： | 1 |
| 15 | 面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展显示文摘结构拓扑优化设计以寻求材料最优分布形式与最佳承力路径为目的,在符合结构材料力学特性的前提下,实现结构的轻量化设计。然而拓扑结构往往比较复杂,传统制造技术难以实现精准、快速制造。金属增材制造技术可实现复杂零件的快速制造,极大地拓宽了设计空间。综述了面向金属增材制造技术的结构拓扑优化设计研究进展,从优化拓扑算法的角度,归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施;从金属增材制造约束的角度,总结了考虑几何约束、成形约束、材料性能约束的拓扑优化方法,并结合金属增材制造与拓扑优化技术的发展趋势进行了展望。 | 刘博宇 王向明 杨光 邢本东 | 2023 | 中国激光2023，50，12： | 1 |
| 16 | 火箭筒托架零件一体化成形分析及轻量化设计显示文摘目的 研究某型号火箭筒托架零件一体化成形及工况载荷下的结构轻量化设计方法。方法 提出了基于3D打印制造的铝合金一体化快速成形方法,并结合有限元分析和理论公式,得出了一体化托架在冲击载荷作用下的结构强度评估方法,进行了变形、应变及应力分析,在此基础上对托架进行了轻量化优化设计。结果 在满足强度要求的情况下,一体化托架相对传统成形整体质量减轻了153.535g,减少了41.76%,效果明显。结论 实现了托架的一体化成形,完成了托架的轻量化设计,研究结果为火箭筒零件一体化成形及冲击载荷下结构的轻量化设计提供了参考。 | 刘晓阳 霍增辉 黄风山 满晓飞 程伟亚 | 2022 | 精密成形工程2022，14，7： | 1 |
| 17 | 面向高校大类招生质量评估的跨尺度结构拓扑优化模型显示文摘机械结构跨尺度拓扑优化从细观微结构构造和宏观结构布局实现协同设计。受此启发,提出了基于机械结构跨尺度拓扑优化的高校大类招生质量评估量化模型。主要包括:将个体入学成绩、入学报考大类和大类忠诚度按照微结构体分比、特征相关度和性能折减进行量化;基于多尺度有限元和人工神经网络建立微结构等效弹性矩阵表征模型;构建以不同属性微结构在宏观尺度布局为设计变量的跨尺度拓扑优化模型,对整体大类招生质量进行量化评估。在此基础上,对西北工业大学某大类近三年招生质量进行评估,有效优化了学校招生政策。 | 李佩 周涵 张睿 王克勤 杨益新 | 2022 | 机械科学与技术2022，41，11： | 0 |
| 18 | 聚变堆偏滤器拓扑优化设计与稳态热分析显示文摘为了提高聚变堆偏滤器的冷却能力,以满足其高温服役性能需求,基于一体化增材制造技术,以换热量最大为设计目标,采用变密度法对偏滤器中的W/Cu模块进行拓扑优化设计和模型重构,并采用大型商用仿真软件对拓扑优化后的W/Cu模块进行有限元数值模拟及温度场、应力场计算。结果表明,在10 MW/m2稳态热流密度条件下,拓扑优化后W/Cu模块的最高温度降低了108.5℃,仅为512.3℃;W/Cu模块界面处的最大热应力下降了264.2 MPa,仅为486.5 MPa,说明应力分布得到明显改善;W/Cu模块的总变形和弹性应变均大幅减小。该拓扑优化结构的应用可大大提升聚变堆偏滤器实现低成本、高效率、高可靠性的一体化增材制造的可行性。 | 张小强 鲁碧为 刘家琴 吴玉程 | 2023 | 工程设计学报2023，30，5： | 0 |
| 19 | 基于PDE灵敏度滤波器的算法研究显示文摘采用PDE灵敏度滤波器可以消除连续体结构拓扑优化结果存在的棋盘格现象、数值不稳定等问题,且PDE灵敏度滤波器的实质是具有Neumann边界条件的Helmholtz偏微分方程.针对大规模PDE灵敏度滤波器的求解问题,有限元分析得到其代数方程,分别采用共轭梯度算法、多重网格算法和多重网格预处理共轭梯度算法对代数方程进行求解,并且研究精度、过滤半径以及网格数量对拓扑优化效率的影响.结果表明:与共轭梯度算法和多重网格算法相比,多重网格预处理共轭梯度算法迭代次数最少,运行时间最短,极大地提高了拓扑优化效率. | 孟换利 张岐良 王杰 | 2023 | 应用数学和力学2023，44，1： | 0 |
| 20 | 气承膜模表面机械臂喷筑全流程数字建造及评估方法研究显示文摘为了应对国内土地经济转型和人工成本上升等挑战,文章聚焦气承膜模表面机械臂增材建造,结合工厂预制膜模和现场喷涂建造的优势应对市场变化。首先构建智能增材建造设计模型和实验原型,优化气膜和预制门窗地板的生产工艺和机械臂喷涂工法;其次进行安全性和能效评估研究,并进行全流程经济适用性评估研究;最后构建智能辅助设计方法并拓展应用场景。通过发现该方法中的安全、能效和经济影响因子,得到场景适用性评估。研究综合跨专业知识,聚焦国家重大需求,突破膜模表面增材建造的数字化设计与建造方法的瓶颈。 | 苏运升 程希寒 钟明俊 杨博 康威 | 2023 | 城市建筑2023，20，12： | 0 |
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