CN110781610A - 一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法及轻量化结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法及轻量化结构，所述轻量化设计方法包括以下步骤：1)、以板状结构零件的三维模型为操作对象，根据板状结构零件的模型结构进行抽壳处理获得空心壳体，所述空心壳体至少包括对称设置的2片外壳板；2)、在空心壳体内部填充支撑结构，所述支撑结构通过焊接方式与空心壳体连接为一体。本发明针对板状结构的零部件，将成熟的加工制造方法与轻量化设计相融合，在板状结构零部件的重量降低、强度提升、工艺可行性提升、研发周期缩短等方面具有显著优势。

Description

一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法及轻量化结构

技术领域

本发明涉及结构设计、机械加工和焊接等制造领域，具体涉及一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法及轻量化结构。

背景技术

在航天、航空、汽车等制造领域对零部件的重量较为敏感。尤其在航天领域，每减重1克便可以显著缩减燃料消耗、节约发射费用。在航空领域，减轻零部件重量可以提高续航里程、提升燃油经济性。在汽车领域，减轻零部件重量可以减少燃油消耗、保护环境。因此，轻量化设计已成为制造领域的重要发展方向之一。

现在常用的轻量化设计方法之一是拓扑优化，其基本原理是：确定零部件的轻量化潜质和需求；搞清楚零部件的使用工况和边界条件，例如固定方式以及受力工况等；确定基本性能指标，比如结构强度、刚度以及低阶频率等；选择要进行拓扑优化的设计变量，比如密度、体积等，确定了设计变量以后还需要确定要优化的设计区域以及非设计区域；最后确定约束条件以及目标函数，在分析软件上提交到求解器进行求解。拓扑优化在充分挖掘零部件潜力方面具有巨大优势。但其流程较为复杂、入门门槛较高、且与制造工艺脱节，这使其具体应用受到了限制。

为了降低轻量化设计的入门门槛、提高轻量化设计的工艺可行性，需要开发出普适性更高、通用性更好的轻量化设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，本发明针对板状结构的零部件，将成熟的加工制造方法与轻量化设计相融合，在板状结构零部件的重量降低、强度提升、工艺可行性提升、研发周期缩短等方面具有显著优势。

此外，本发明还提供基于上述轻量化设计方法的轻量化结构。

本发明通过下述技术方案实现：

一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，包括以下步骤：

1)、以板状结构零件的三维模型为操作对象，根据板状结构零件的模型结构进行抽壳处理获得空心壳体，所述空心壳体至少包括对称设置的2片外壳板；

2)、在空心壳体内部填充支撑结构，所述支撑结构通过焊接方式与空心壳体连接为一体。

本发明所述的三维模型和抽壳处理是一种实现轻量化结构的表述方法，具体实施方式包括采用零件平面图、草图等方法；根据零件的使用要求，根据需要在零件抽壳处理之前或之后，对零件的三维形貌及尺寸进行变更，以充分满足轻量化的设计需，例如，增加板状结构外形面的厚度，然后基于轻量化结构并使用同等重量材料或更少材料获得更大的刚性。所述板状结构零件括壁厚均匀的零件、壁厚不均匀的零件、非平整的弯曲零件、弧形面板的零件等。

本发明所述外壳板的厚度、支撑结构的厚度以及支撑结构分布的疏密度均可调节。

本发明通过调整壳体壁厚、支撑结构壁厚、支撑分布疏密，可以实现轻量化设计构件的重量及其力学性能的调整。通常而言，壳体壁厚增加、支撑结构壁厚增加或支撑分布加密可以增强构件的力学性能并同时削弱轻量化效果；反之亦然。

若轻量化设计的面向对象为承力构件时，采用计算模拟或实验方法对轻量化设计构件进行强度校核与验证。

本发明针对板状结构的零部件，将成熟的加工制造方法与轻量化设计相融合，在板状结构零部件的重量降低、强度提升、工艺可行性提升、研发周期缩短等方面具有显著优势。

进一步地，外壳板的厚度为等壁厚或变壁厚。

所述等壁厚具体是指外壳板的各处厚薄均匀，所述变壁厚具体是指外壳板的各处厚薄不均。

所述外壳板为实心结构，即局部区域采用实体的非空心结构。

进一步地，支撑结构为条带状、网格状、复杂曲线或复杂曲面。

例如，某板状零件对某方向上的抗弯能力要求较高，则可以采用条带状的支撑结构，并使条带平行于该方向。

进一步地，支撑结构为一体式结构。

采用3D打印、铸造、铣削、车削、冲压、焊接等方式加工成形。

进一步地，支撑结构两端分别通过焊接方式与2片外壳板连接为一体，或支撑结构一端与其中一片外壳板采用一体化成形的方式制备出来，支撑结构另一端与另一片外壳板焊接。

进一步地，焊接方式为钎焊、电阻焊、超声波焊或爆炸焊。

进一步地，板状结构包括平板、弯曲板和弧形板。

进一步地，空心壳体由上下2片对称的外壳板组成。

当空心壳体由上下2片对称的外壳板组成时，空心壳体的其它侧壁为零壁厚，即壳体呈开放状态。

一种采用适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法制备的轻量化结构。

进一步地，轻量化结构包括1层支撑结构或多层支撑结构。

在轻量化设计过程中，对于大尺寸的板状结构，若其厚度较大，可以选择叠层结构的实现方案。即由“壳+支撑结构+壳”的形式变成“壳+支撑结构+壳+支撑结构+壳”，或采用更多层数的叠层结构。

当采用“壳+支撑结构+壳”的形式时，支撑结构与两面壳体采用焊接的方式连接为一体；当采用叠层结构时，各支撑结构与毗邻的壳体采用焊接的方式分别连接为一体。

当采用“壳+支撑结构+壳”的形式时，可以将支撑结构与某一面壳体采用一体化成形的方式制备出来(铣削、铸造、冲压、3D打印等)，再与另一面壳体采用焊接的方式连接，从而减少焊缝数量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、与传统的拓扑优化方法相比，本发明针对板状结构件，提出了切实可行的轻量化设计方法，并大幅度压缩了结构优化的迭代流程，将强度指标与重量指标做成了简单可选的调整方式，缩短了板状结构件轻量化设计的研发流程。

2、本发明所述的板状结构轻量化设计方法融合了焊接工艺及制造工艺，设计方案连通了加工方法，比传统的设计-加工分离方案具有更好的工艺可行性。

3、通过本发明，可以实现低密度的密封结构设计；可以实现重量更轻且强度更高的承力构件设计。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1网格状支撑结构和叠层结构的轻量化设计示意图；

图2为实施例2的轻量化板状结构件的结构示意图；

图3是实体结构和轻量化结构的抗弯承载能力对比图；

图4是板状弧面结构轻量化设计的结构示意图；

图5是不同支撑结构的平面示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-外壳板，2-支撑结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，图1中a为板状结构件零件，对其进行抽壳处理得到图1中b所示的结构，图1b中的上下壳体选择等壁厚，四周壳体选择零壁厚(即四周无壳体)，即空心壳体由上下2片对称的外壳板1组成。如图1中c所示，选择网格状的支撑结构2，将支撑结构2与上下外壳板1焊接相连便可以得到轻量化设计的结构模型。如图1中d所示，其展示了“壳+支撑结构+壳+支撑结构+壳”的叠层结构实现方法，将两个支撑结构2与毗邻的外壳板1采用焊接的方式相互连接为一体便可以得到轻量化设计的叠层结构模型。

本实施例1的轻量化数据前后对比如下：

以图1中a为参照(以下表述中，尺寸、体积、密度和重量均作无量纲处理)，设其长宽高分别为200、100和12，则其体积为240000，设其密度为1，则其重量为240000。以图1中c作为对比，设其上下外壳板1的厚度均为2，长宽不变、支撑结构2的高度为8、支撑结构2的壁厚均为2，则其体积为103200，设其密度为1，则其重量为103200，此时，轻量化设计结构的重量为图1中a的43％。以图1中c作为对比，设其上下外壳板1的厚度均为1、支撑结构2的高度为10、支撑结构2的壁厚均为1，则其体积为54750，设其密度为1，则其重量为54750，此时，轻量化设计结构的重量约为图1a的22.8％。

实施例2：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

所述轻量化设计结构有上下外壳板1和支撑结构2组成，所述支撑结构2为条带状。

将本实施例的轻量化设计结构与图1中a的实体结构进行轻量化和承载力对比，具体地：

以有限元仿真为模拟工具，以三点弯曲试验的加载方式作为仿真测试方法，选用相同的材质、物性参数和相同的边界条件，对比实体结构和轻量化结构的抗弯承载能力。模拟过程施加相同的载荷，对比不同结构的位移大小。结果如图3所示：

以如图1中a所示的板状结构件为参照，设其长宽高分别为200、50和6，则其体积为60000，设其密度为1，则其重量为60000；其位移分布如图3中a所示，压头最大位移约为0.52。

以图2条带状的轻量化结构作为对比，设其上下外壳板1的厚度均为2、支撑结构2的高度为2、支撑结构2的壁厚均为2，则其体积为44720，设其密度为1，则其重量为44720，此时，轻量化设计结构的重量约为图1中a的74.5％；其位移分布如图3中b所示，压头最大位移约为0.61。此种轻量化结构减重效果明显，但抗弯能力比实体结构略有下降。

以图2条带状的轻量化结构作为对比(与图1中a相比，长宽不变，高度增加2)，设其上下外壳板1的厚度均为2、支撑结构2的高度为4、支撑结构2的壁厚均为2，则其体积为49440，设其密度为1，则其重量为49440，此时，轻量化设计结构的重量约为图1中a的82.4％；其位移分布如图3中c所示，压头最大位移约为0.31。此种轻量化结构有一定减重效果，但抗弯能力比实体结构显著提升。

实施例3：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

零件为带孔的板状弧面结构，具体地：

图4中a展示了一个带孔的板状弧面结构，用其展示本发明中的多种轻量化设计方法的实现原理。图4中b是轻量化设计的一种结果，其中展示了不同厚度的支撑结构2、疏密分布不均的支撑结构、弧形支撑结构、孔洞附近区域采用实体的非空心结构，图4中b中支撑结构2与下外壳板1采用一体化成形的方式制备出来，再与上外壳板1采用焊接的方式连接。

本发明中所有尺寸的单位为mm，在支撑结构2的选取方面，可以做多种设计和选择，以图5为例，其展示了3种不同支撑结构2的平面示意图

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、以板状结构零件的三维模型为操作对象，根据板状结构零件的模型结构进行抽壳处理获得空心壳体，所述空心壳体至少包括对称设置的2片外壳板(1)；

2)、在空心壳体内部填充支撑结构(2)，所述支撑结构(2)通过焊接方式与空心壳体连接为一体。

2.根据权利要求1所述的一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，其特征在于，所述外壳板(1)的厚度为等壁厚或变壁厚。

3.根据权利要求1所述的一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，其特征在于，所述支撑结构(2)为条带状、网格状、复杂曲线或复杂曲面。

4.根据权利要求1所述的一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，其特征在于，所述支撑结构(2)为一体式结构。

5.根据权利要求1所述的一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，其特征在于，所述支撑结构(2)两端分别通过焊接方式与2片外壳板(1)连接为一体，或支撑结构(2)一端与其中一片外壳板(1)采用一体化成形的方式制备出来，支撑结构(2)另一端与另一片外壳板(1)焊接。

6.根据权利要求1所述的一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，其特征在于，所述焊接方式为钎焊、电阻焊、超声波焊或爆炸焊。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，其特征在于，所述板状结构包括平板、弯曲板和弧形板。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法，其特征在于，所述空心壳体由上下2片对称的外壳板(1)组成。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法制备的轻量化结构。

10.根据权利要求9所述适宜于焊接的板状结构轻量化设计方法制备的轻量化结构，其特征在于，所述轻量化结构包括1层支撑结构(2)或多层支撑结构(2)。

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