CN115906339B - 一种基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法，以解决目前建筑结构中金属节点设计、成型时不能完全按照设计结果实现合理用材、连续成型的技术问题。该方法包括：1、建立金属节点的计算分析模型；2、采用有限元数值模拟计算法，对计算分析模型和金属节点实体进行无差异化的计算分析，获得金属节点模型的分析结果；3、根据金属节点模型的分析结果，设定金属节点的优化目标，并进行智能优化，获得最优应力云图；4、根据最优应力云图调整金属节点模型各部位的厚度、形状，获得优化金属节点模型；5、将优化金属节点模型以命令流的形式传输给增材制造设备，增材制造设备根据命令流制备所需金属节点。

Description

一种基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法

技术领域

本发明涉及建筑结构用金属节点的制备方法，具体涉及一种基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法。

背景技术

随着建筑结构的不断发展更新，建筑的形式也变得逐渐多样化，因此对建筑结构金属节点的要求也随之变高，金属建筑结构中各受力构件是通过节点进行力传导和相互约束，并形成结构整体。节点主要通过以下几种方式来将构件连接在一起的：（1）全机械紧固件连接，即构件与构件之间是采用螺栓、铆栓等紧固件连接在一起；（2）焊接连接，即采用焊接的方式由焊缝来传递构件之间的力和提供约束能力；（3）机械紧固件加焊接连接，构件之间是通过螺栓和焊缝的协同工作进行连接。上述连接方式都是要通过非构件本身的材料，连接构件以形成节点的，但对于大型复杂的节点，例如多构件交汇形成的大尺寸节点，由于施工困难，往往采用铸造成型的金属节点。

无论采用机械紧固件还是焊接连接，对于节点来说都不是连续成型的连接，因此，现在的节点成型技术有以下明显的技术缺点：

1、由于连接材料和连接方式的不连续性，使节点的形成无论是从材料性能还是协同工作机制来评判都是不连续、不统一的，节点的实际性能与设计要求之间有着较大的差距，因此设计时需考虑较多计算模型简化和采用较大安全系数的加工方法，例如，板件只能按等厚断面选取，但这样会造成节点受力不合理，且材料浪费严重。

2、对于大型节点，连接复杂，施工非常困难，同时大量焊缝引起的热场效应，形成了构件中的初始应力和初始缺陷，在长期荷载作用下，很容易造成构件的破坏。

3、对于复杂的节点，节点的附加构件数量多、板件厚、焊接困难、施工难度大且施工质量不易保证，即使采用工厂加工再运至现场安装的方式，也会由于节点板件厚度和自重大，运输成本和施工难度均偏高。

4、金属节点常用的制造工艺为整体铸造和焊接两种，采用这两种方法制造的节点容易产生缺陷，在使用过程中存在安全隐患；铸造节点由于铸造工艺本身存在的问题，容易产生缩孔、缩松、气泡裂纹等缺陷，均匀性较差，与主体焊接时质量差，对其承载性能产生不利影响，并且铸造工艺制造成本高、生产周期长；焊接节点存在局部区域应力集中的情况，这使得焊接节点较难达到使用要求。

综上所述，现有金属节点从设计、生产、制造、加工、运输、安装以及后期运维，存在着设计不合理、材料浪费、加工周期长、运输成本高、安装难度大、能源消耗大和环境破坏严重的问题，并且智能化和工业化程度极低，基本处于半手工的加工状态。

发明内容

本发明目的在于解决目前建筑结构金属节点设计、成型时不能完全按照设计计算结果实现合理用材、连续成型，从而导致受力不合理、承载性能差、安装难度大等技术问题，提出一种基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法。

本发明提供的技术方案为：

一种基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1、根据相邻金属构件的受力分布，建立相邻金属构件对应的金属节点的计算分析模型；

S2、采用有限元数值模拟计算法，对金属节点的计算分析模型和所需金属节点实体进行无差异化的计算分析，获得金属节点模型的分析结果；

S3、根据金属节点模型的分析结果，设定金属节点的优化目标，采用遗传算法和拓扑优化进行智能优化，获得满足优化目标的最优应力云图；

S4、根据最优应力云图调整金属节点模型各部位的厚度、形状，获得优化金属节点模型；

S5、将优化金属节点模型以命令流的形式传输给增材制造设备，增材制造设备根据命令流制备所需金属节点。

进一步地，步骤S3中，所述优化目标包括承载力、变形量及节点重量；

所述承载力对应的参数为应力比，变形量对应的参数为应变量，节点重量对应的参数为满足承载力和变形量时的最小重量。

进一步地，步骤S5具体为：将优化金属节点模型以命令流的形式传输给增材制造设备，增材制造设备采用热源将金属材料熔化，根据命令流调整金属材料的供应量和增材制造速度，以逐层堆积成形的方式实现建筑结构金属节点的加工，同一层中相邻增材堆积层之间的搭接间距为1-6mm。

进一步地，步骤S5中，所述金属材料为金属丝，金属丝的供应速度为1-10m/min，增材焊接速度为0.1-1.0m/min。

进一步地，步骤S5中，所述热源为电弧热源或激光热源或电子束热源。

进一步地，步骤S5中，所述金属材料为金属粉，热源为激光热源，金属节点的加工采用惰性气体保护。

进一步地，步骤S5中，所述惰性气体包括二氧化碳气体或二氧化碳气体与氩气的混合气体。

进一步地，步骤S5中，所述命令流为CAD命令流。

进一步地，步骤S3中，采用遗传算法和拓扑优化进行智能优化具体为：采用遗传算法和拓扑优化通过超级计算进行智能优化。

进一步地，步骤S4中，将获得的优化金属节点模型存储进金属节点模型数据库。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法采用同一材料连续成形，在对金属节点的计算分析模型与金属节点实体进行分析时，采用的计算模型不需像现有设计中再做大量的假定和简化，而是以真实的构件状态来进行数值模拟，以实现无差异化的计算分析，真正做到实际所需金属节点与计算模型高度统一，充分保证分析精度和准确度。

2、本发明提供的基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法依托于增材制造技术，对于金属节点的设计，结合遗传算法和拓扑优化通过超级计算进行智能优化，综合考量受力合理性、经济性、时效性等因素，可实现高智能自动优化的设计和制造全过程的无缝对接，从而形成最佳性价比的节点方案，对大型建筑金属结构来说，节点数量多且受力复杂，通过上述手段可快速准确的设计出各个金属节点的优化金属节点模型，且加工简单。

3、本发明提供的基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法采用增材技术制造的金属节点各部位的形状和厚度（部分也可以镂空设计）根据金属节点应力大小的变化而设计优化，充分发挥使用材料的性能，使金属节点的受力状态更加合理，同时大幅缩减材料用量和节点重量，大大减少了运输和安装成本。

4、本发明基于节点设计构建计算分析模型，根据计算分析模型进行计算、分析、优化，使得后续工厂增材加工、运输安装及后期运维均可采用同一模型，无需在各个环节构建模型，充分发挥了物联网和智能化的优势，保证了节点绝对准确性，有效缩短了各个环节的工作周期。

5、本发明金属节点加工过程中，材料高效应用，不产生废料，真正做到绿色低碳；同时加工过程中减少了工人的直接接触操作，节省人力成本，减少人工操作风险。

附图说明

图1为本发明基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法实施例示意图；

图2为本发明实施例中金属节点示意图；

图3为本发明实施例中金属节点的金属节点模型的分析结果示意图；

图4为本发明实施例中金属节点的优化金属节点模型示意图。

具体实施方式

参见图1，本实施例提供一种基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法，解决建筑结构金属节点设计（包括计算分析）、加工制造和施工过程中的难点问题，以下以主要用于拉索结构的金属节点为例做具体说明，包括以下步骤：

S1、根据相邻金属构件的受力分布，建立相邻金属构件对应的金属节点的计算分析模型；如图2所示为本实施例金属节点示意图。

S2、采用有限元数值模拟计算法，将金属节点的计算分析模型与所需要加工的金属节点实体进行无差异化的计算分析，获得金属节点模型的分析结果；由于节点的成形是采用增材制造技术，无需采用多次、多种拼装连接工艺（包括机械紧固件连接、焊接、切割等）及多种材料，只需同一种材料在完全连续条件下形成节点，所以在进行节点受力性能分析时，不需按传统的方法进行各类假定和简化处理，金属节点模型与实体构件可实现完全对应，按实体节点的形状和材料进行无差异化分析，充分保证分析准确度和精度，此与传统节点的分析完全不同；参见图3，本实施例金属节点采用有限元分析软件Ansys进行分析的结果。

S3、根据金属节点模型的分析结果，设定金属节点的优化目标，采用遗传算法和拓扑优化通过超级计算进行智能优化，获得满足优化目标的最优应力云图。

具体的，优化目标包括承载力、变形量及节点重量；承载力对应的相关参数为应力比，变形量对应的相关参数为应变量，节点重量对应的相关参数为满足承载力和变形量时的最小重量；承载力、变形量及节点重量这三者变化是相关的，通过采用遗传算法和拓扑优化进行超级计算即是为了获得达到预期目标的最优组合。

S4、根据最优应力云图调整金属节点模型各部位的厚度、形状，获得优化金属节点模型，如图4所示，按照图中厚度优化结果从小到大，金属节点的加工厚度依次增加，部分区域存在镂空加工；同时将该优化金属节点模型存储进金属节点模型数据库，以便于后续的规模化应用。

S5、将优化金属节点模型以CAD命令流的形式传输给增材制造设备，增材制造设备根据CAD命令流制备所需金属节点。

具体的，将优化金属节点模型以CAD命令流的形式传输给增材制造设备，增材制造设备采用热源将金属材料熔化，根据CAD命令流调整金属材料的供应速度和增材制造或打印速度逐层堆积成形的方式实现建筑结构金属节点的加工，同一层中相邻增材堆积层之间的搭接间距为1-6mm。可以理解的是，该金属材料可以为金属丝，根据最优应力云图设计的优化后的金属节点模型，在自然大气环境下，对金属丝材进行熔化，以逐层堆积成形的方式实现建筑结构金属节点的加工，金属丝的供应速度可以在1-10m/min范围内调节，增材焊接速度为0.1-1.0m/min，这里的增材打印速度在同一层增材制备时可以根据不同的厚度进行调节，最终使构成金属节点的所有部件一次连续打印成形，不再按照区段、时间段加工，并采用完全相同的工艺技术、工作环境，保证金属节点各部位的成形质量相同。

采用的热源包括但不限于电弧热源或激光热源或电子束热源；对于要求更加精准、体积比较小的金属节点，比如用于航空领域飞机上的金属节点，可以采用金属粉为金属材料，通过激光热源将金属粉熔化形成熔池，并在惰性气体的保护下进行增材打印，例如在二氧化碳气体或20%二氧化碳气体与80%氩气的混合气体作为保护气体的加工环境中进行加工。

Claims (7)

1.一种基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据相邻金属构件的受力分布，以真实的构件状态，建立相邻金属构件对应的金属节点的计算分析模型；

S2、采用有限元数值模拟计算法，对金属节点的计算分析模型和所需金属节点实体进行无差异化的计算分析，获得金属节点模型的分析结果；

S3、根据金属节点模型的分析结果，设定金属节点的优化目标，采用遗传算法和拓扑优化通过超级计算进行智能优化，获得满足优化目标的最优应力云图；所述优化目标包括承载力、变形量及节点重量；所述承载力对应的参数为应力比，变形量对应的参数为应变量，节点重量对应的参数为满足承载力和变形量时的最小重量；

S4、根据最优应力云图调整金属节点模型各部位的厚度、形状，获得优化金属节点模型；将获得的优化金属节点模型存储进金属节点模型数据库；

S5、将优化金属节点模型以命令流的形式传输给增材制造设备，增材制造设备采用热源将金属材料熔化，根据命令流调整金属材料的供应量和增材制造速度，以逐层堆积成形的方式在完全连续条件下实现建筑结构金属节点的加工；所述金属材料为金属丝。

2.根据权利要求1所述的基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法，其特征在于：

步骤S5中，同一层中相邻增材堆积层之间的搭接间距为1-6mm。

3.根据权利要求2所述的基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法，其特征在于：

步骤S5中，所述金属丝的供应速度为1-10m/min，增材焊接速度为0.1-1.0m/min。

4.根据权利要求3所述的基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法，其特征在于：

步骤S5中，所述热源为电弧热源或激光热源或电子束热源。

5.根据权利要求2所述的基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法，其特征在于：

步骤S5中，所述金属材料为金属粉，热源为激光热源，金属节点的加工采用惰性气体保护。

6.根据权利要求5所述的基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法，其特征在于：

步骤S5中，所述惰性气体包括二氧化碳气体或二氧化碳气体与氩气的混合气体。

7.根据权利要求1-6任一所述的基于增材制造技术的建筑结构金属节点制造方法，其特征在于：

步骤S5中，所述命令流为CAD命令流。