1.2.2  晶格曲面造型国内研究现状

增材制造轻量化设计的方法开始被国内外研究机构和相关企业所关注，大量的人力和财力 被投入到设计过程中所必要的拓扑理论和优化技术上。针对三维零件模型轻量化设计的方法， 晶格曲面优化技术是近年来发展较快的一项新兴轻量化设计技。

晶格造型方法是近年来在机械设计领域快速发展、逐渐得到重视的一项新兴造型技术，通 过在零件表面、零件内部设计具有一定分布规律的晶格曲面对原来的实心区域、桁架结构进 行替换，实现对零件的结构优化。晶格造型方法首先用函数对零件的晶格曲面进行定义，再 使用几何建模算法得到零件的可减重区域，并且以晶格曲面对减重区域进行替换。

Liang 等采用 Schwartz 钻石体结构、gyroid 螺旋二十四面体结构表示晶格曲面，并将该 类曲面广泛应用于增材制造激光熔融技术里的各种内部结构[17]。相比于传统的结构设计，该 优化方法所得到的零件成品内部结构浑然一体，不仅在机械性能上得到了大幅优化，而且具 备天然的出粉孔，大大方便了增材制造后的粉末回收。

Hissein 等研究者在 Liang 对晶格曲面研究成果的基础上，以钛合金悬垂件为优化目标， 从三维建模角度科学地分析了不同尺寸的晶格曲面、晶格曲面形状对桁架支撑结构的影响。 并通过一系列的对比实验，优化了 Liang 的 Schwartz 钻石体结构、gyroid 螺旋二十四面体 结构曲面。该实验后完成的优化支撑结构能节省百分之九十以上的制造材料。

ConceptLaser 公司采用栅格状晶格结构实现飞行器钛合金叶片的中空设计，与设计前的 叶片相比，优化所带来的材料节省量和工艺节时量均达到了百分之六十之上。不仅如此，新 设计出的叶片在工作强度和支撑效果上也远胜原型[18-19]。

晶格曲面在理论和应用方面都得到了一定的发展和完善。尽管如此，因为晶格曲面方面的 研究开展的时间还比较短，所以要将其广泛应用于工业生存还需要进一步的努力。例如：目 前拓扑优化研究主要集中在对模型内部结构的普遍替换等相关理论方面的研究，所研究的理 论用于证明理论的正确性。而且基本是对三维结构简单载荷下的拓扑优化，并且优化过程中 不考虑几何边界的约束条件，这就造成了优化后的拓扑结构无法满足实际工程中的三维结构 装配上的需求[20-21]。晶格曲面结构设计的发展任重而道远。

综上所述，充分利用激光增材制造工艺可以成形任何复杂零件的特点，研究轻量化造型设 计理论。在航空、航天、车辆工程等领域对关键零部件进行拓扑结构优化，降低零件的结构 复杂性、制造困难度，达到减材增效的目的[22]，激光增材制造工艺具有广阔的发展前景和应 用价值。

鉴于对目前增材制造领域研究现况的分析，本项目以“增材制造轻量化设计关键技术”为 重点研究内容，通过理论研究、造型优化和加工验证为手段，探究三维零件模型轻量化造型 设计的关键算法，重点解决三维模型质量优化、变密度晶格结构造型算法等关键问题。项目 选题具有较大的应用价值和开发前景。

1.3  课题主要研究内容

1.3.1  主要内容

为研究并突破增材制造轻量化设计技术中的关键难点，本项目拟通过研究晶格曲面拓扑优 化造型技术实现关键功能部件的性能优化，并最终通过增材制造快速成型的工艺加以验证， 具体研究内容如下：

①晶格曲面拓扑优化造型设计：

☆将蜂窝结构、栅格结构等晶格类曲面造型技术与拓扑优化理论相结合，从仿生的角度优 化设计功能部件的形态结构； 功能晶格结构激光增材设计制造及力学性能测试研究(4):http://www.chuibin.com/jixie/lunwen_206117.html