面向选区激光熔化的刹车踏板拓扑优化与成型研究

作     者：郭志启 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：龚海军

授予年度：2024年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：选区激光熔化 面向增材制造 汽车刹车踏板 拓扑优化 疲劳性能 

摘      要：轻量化是“双碳政策背景下汽车的发展策略,目前,新能源汽车开发和迭代频次越来越快。铝合金选区激光熔化(SLM)成型兼具材料的轻量化、结构设计自由、近净成型和成型快速的优点,成为原型制备的首选工艺。为快速开发某型汽车刹车踏板,解决刹车踏板拓扑设计、铝合金SLM成型关键技术及成型件可靠性分析问题,本文进行了面向增材制造的拓扑优化和成型工艺及性能的研究。 首先,为降低刹车踏板重量并保证其使用寿命,通过材料分布和结构的拓扑优化,在满足设计载荷250N条件下,将踏板质量由0.519kg减少到0.242kg;踏板最大应力为87.03MPa、最大变形为0.85mm,虽比优化前的最大应力42.62MPa和变形量0.37mm大,但小于材料的屈服强度331.22MP和踏板允许变形量4.68mm,表明该拓扑优化结构具有足够强度和刚度,满足性能要求。 然后,对铝合金踏板进行SLM成型工艺研究。为探究AlSi10Mg合金SLM成型的最佳工艺,采用30μm层厚铺粉,以不同激光功率和扫描速率打印单熔道块体试样,用光学显微镜观察熔池。试样分析发现,在较高的能量密度下,金属粉体容易挥发,导致材料表面出现球化、孔洞,致密度和力学性能下降,最优参数组合为激光功率220W、扫描速度1600mm/s、扫描间距0.1mm。随后,采用最优参数和拓扑优化后的结构对刹车踏板进行水平,竖直和45°倾斜3种摆放方式的成型过程仿真。结果表明,水平放置成型不仅节省支撑材料和成型时间,也使打印过程应力最小,最终采用水平放置作为踏板的摆放和支撑方案。 最后,对SLM成型的AlSi10Mg合金试样进行了拉伸和疲劳实验研究。拉伸强度均值可达470.04MPa,屈服强度均值为331.22MPa,延伸率均值为5.03%。疲劳断口分析表明,失效主要是SLM成型中气孔、夹杂物等缺陷造成的微裂纹引起,当裂纹扩展到一定程度后,有效截面无法承载疲劳荷载而引起破坏。本文根据疲劳实验数据,拟合出了SLM成型铝合金零件的应力-疲劳寿命(S-N)曲线,将实验数据导入ANSYS软件进行疲劳仿真,结果显示刹车踏板疲劳寿命最小处为4.621×10～9次,超过设计寿命10～7次冲击,刹车踏板满足使用寿命要求。 本文面向增材制造的刹车踏板拓扑优化与SLM成型工艺及性能研究,为汽车零件轻量化设计、快速成型和快速评估提供了完整和高效解决方案。