在設(shè)計精密零件時，設(shè)計人員面臨的一項艱巨的挑戰(zhàn)是，如何在保證設(shè)計的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)快速批量生產(chǎn)的同時，使其符合極其嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以飛機發(fā)動機的燃油噴射器為例，只有高精密零件才能保證飛機的正常工作，讓乘客放心地把自身安全交給航空公司。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，工程師們不僅要優(yōu)化特定的部件，還需要優(yōu)化部件的制造工藝。

增材制造又稱 3D 打印，近年來發(fā)展迅猛。它是一種新穎且前景廣闊的制程工藝，不僅有利于減少材料浪費，更重要的是可以生成傳統(tǒng)工藝無法加工的形狀。

位于英國考文垂的制造技術(shù)中心（Manufacturing Technology Centre，簡稱MTC）長期致力于研究增材制造技術(shù)，為航空航天產(chǎn)業(yè)的零件制造商提供設(shè)計和物理樣機。其中一種常用的增材制造工藝叫做激光粉體熔化成型（laser powder bed fusion），這項技術(shù)利用數(shù)十微米厚的粉末層，通過激光逐層構(gòu)建出零件。3D 打印系統(tǒng)會按照預(yù)定義的打印路徑，制造出具有極小幾何細節(jié)的零件。

為了驗證增材制造零件的質(zhì)量和性能，MTC 幾年前便開始使用 COMSOL Multiphysics? 軟件進行虛擬設(shè)計測試、模型驗證和性能預(yù)測。在過去幾年間，他們開始基于 COMSOL 模型創(chuàng)建仿真 App，讓不同的團隊能夠通過 App 共享仿真分析的強大功能，滿足客戶的各類需求。

早在仿真 App 開發(fā)的初期，我們就曾采訪過 MTC 團隊（請參閱 2015 年度的《COMSOL News》第 5 頁）。兩年之后，讓我們來看看仿真和計算 App 對MTC 的設(shè)計工作流程和部門間協(xié)作產(chǎn)生了怎樣的影響。

全新的零件設(shè)計方法

MTC 物理建模團隊負責(zé)人Borja Lazaro Toralles 表示，激光粉體熔化成型技術(shù)擁有其他制造工藝不具備的優(yōu)勢。它的沉積速率慢于金屬沉積成形工藝，但其精度和分辨率更高。

然而這種工藝有一個缺點：當(dāng)金屬冷卻時，材料可能會在沉積了數(shù)層之后發(fā)生變形。較大的溫度梯度和快速冷卻引起的熱循環(huán)會在沉積過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這會造成微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生緩慢的變化，進而導(dǎo)致零件發(fā)生變形，如圖 1（左）所示。

在某些情況下這些變形并不重要，然而對于有些應(yīng)用而言，即使是 100 微米（0.1 毫米）的差異，也會超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的允許范圍，致使零件無法使用。針對這些應(yīng)用，MTC 團隊需要想出一個能抵消熱循環(huán)影響的方法。

由于熱循環(huán)和微觀結(jié)構(gòu)的演變無法被消除，MTC 的團隊打算從另一個方向來處理這一問題。“我們創(chuàng)建了一個可用于預(yù)測零件構(gòu)建過程中的應(yīng)力和變形的仿真模型，借此來了解零件在打印過程中是如何變形的。”Lazaro Toralles 解釋道，“只要掌握了這些信息，我們就可以‘抵消’零件設(shè)計中的變形。這意味著我們能預(yù)先掌控翹曲問題，將最終產(chǎn)品塑造成客戶真正想要的形狀。”

設(shè)計團隊巧妙地從實際誤差出發(fā)進行逆向處理，直接在設(shè)計中還原了誤差。利用此方法，設(shè)計團隊可以基于預(yù)測模型找到誤差最小的形狀，更加靈活高效地在規(guī)定的容差范圍內(nèi)制造零件（圖 1 右）。

圖1. 左：扭曲零件的示例。由于存在殘余應(yīng)力，飛機葉輪的葉片已經(jīng)發(fā)生翹曲。紅色表示扭曲相對較大的區(qū)域。右：經(jīng)過扭曲調(diào)整后的最終葉輪設(shè)計。

此外，多物理場仿真還為 MTC 的增材制造設(shè)計團隊提供了一個全新的溝通協(xié)作方式。Lazaro Toralles 的團隊將 COMSOL? 模型封裝成了一個可用于預(yù)測翹曲的仿真 App，同事們無需花費力氣去了解原始模型，也能在 App 中運行仿真，查看需要修改的設(shè)計因素。

當(dāng)然，在與零件的設(shè)計工程師分享 仿真 App 之前，設(shè)計團隊首先需要創(chuàng)建高精度的仿真模型。

模擬各類復(fù)雜零件

如何創(chuàng)建一個可針對任意類型的金屬進行形狀預(yù)測的仿真模型？實現(xiàn)的方法有很多。Lazaro Toralles 和其研究團隊首先定義了一個全新的建模流程，可用于預(yù)測大型零件的最終形狀，隨后他們創(chuàng)建了一個仿真模型，能為設(shè)計工程師提供調(diào)整設(shè)計所需的信息。

他告訴我：“傳統(tǒng)的增材制造模型非常精細，即便是微觀結(jié)構(gòu)，其精度也非常高。然而考慮到計算成本，這些模型并不適用于模擬大型零件的構(gòu)建過程。雖然模擬該過程需要耗費大量時間，但我們還是需要了解整個零件在打印過程中的性能表現(xiàn)。為了解決耗時過長的問題，我們將構(gòu)建的打印層“集總”成了一個整體，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)施加了解析溫度場。通過這一方式，我們在保證結(jié)果準(zhǔn)確性的同時，縮短了求解時間?！?/p>

從航空級鈦合金到不銹鋼，MTC 在工作過程中需要處理各種類型的金屬，因此為了方便使用模型來測試具有不同形狀、尺寸和材料的零件，他們使 COMSOL 模型中的參數(shù)可以調(diào)節(jié)，包括材料屬性、集總層厚度、夾持在零件上的構(gòu)建板，以及網(wǎng)格單元大小等。

設(shè)計團隊借助 COMSOL 軟件中的結(jié)構(gòu)力學(xué)功能，通過解析溫度場對線彈性材料進行了定義，此類材料的塑性和熱膨脹特性會隨溫度發(fā)生變化。該App還能自動執(zhí)行多個CAD操作，為“集總”層生成幾何、圖形。

考慮到使用集總材料層建模無法模擬出真實的工具路徑，于是仿真生成了一個柵格來進行近似表示。溫度場被施加在柵格點上，隨后軟件計算出了沉積過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，并對零件的最終形狀進行了預(yù)測（圖 2）。

圖 2. 仿真結(jié)果顯示了葉輪中的位移，并據(jù)此預(yù)測最終的零件形狀。

分享預(yù)測能力

借助仿真分析預(yù)測出某個零件中的誤差后，如何以清晰簡明的方式將信息傳遞給設(shè)計團隊，這是仿真專業(yè)人員面對的另一個挑戰(zhàn)。許多公司將建模團隊劃分成設(shè)計和仿真兩個業(yè)務(wù)組，各組內(nèi)的人員可以發(fā)揮其自身技術(shù)優(yōu)勢。然而這種做法會讓部件的設(shè)計和分析之間缺乏有效溝通。

仿真專業(yè)人員可以將模型封裝成簡明易用的仿真 App，以此來消除兩個團隊之間的交流障礙。設(shè)計工程師無需接觸復(fù)雜的底層仿真模型，也能在操作界面中運行測試。這大幅簡化了對新零件性能的評估過程，設(shè)計工程師現(xiàn)在無需求助仿真專業(yè)人員，也能方便地對參數(shù)進行調(diào)整。

設(shè)計團隊使用各類 CAD 平臺創(chuàng)建了大量復(fù)雜零件，因此 COMSOL 模型及相關(guān)仿真 App 的功能也必須足夠強大，才能滿足使用需求。仿真 App 中包含 CAD 導(dǎo)入功能，用戶可以對任意形狀進行測試。這對于基于植物、動物、地形等具有自然特征的形狀（即所謂的有機形態(tài)）而言尤為重要，例如在Rhino等許多軟件中繪制的圖形便是如此。

該仿真 App（圖 3）是利用 COMSOL Multiphysics 中的“App 開發(fā)器”創(chuàng)建的，可以針對指定零件（本例為飛機葉輪）顯示其最終形狀、變形和應(yīng)力水平的仿真結(jié)果。

圖 3. 借助 MTC 開發(fā)的仿真 App，用戶無需了解底層多物理場模型，便可以在仿真中調(diào)整設(shè)計并測試修改。

Lazaro Toralles 補充說：“我們自己（仿真團隊）也經(jīng)常使用仿真 App，相比于原始模型，在 App 中修改輸入?yún)?shù)更加方便。由于設(shè)計團隊無法獨立運行仿真，所以 App 實際上是特意為他們開發(fā)的，這樣設(shè)計工程師就能導(dǎo)入零件模型，并預(yù)測零件在打印過程中的變形情況?！?/p>

借助 COMSOL Multiphysics 中的“App 開發(fā)器”，Lazaro Toralles 能夠完全掌控App 用戶可以訪問的內(nèi)容。隨著仿真 App 根據(jù)公司的需求而不斷改進，每一項輸出和顯示內(nèi)容都是經(jīng)過反復(fù)斟酌才加入到 App 中，其中部分輸入和設(shè)置被鎖定，這是為了避免 App 用戶因意外操作而造成錯誤。此外，雖然底層模型的設(shè)置始終對用戶隱藏，但是仿真能力卻在不斷地傳播。

鞏固新型協(xié)作方式

COMSOL Server? 產(chǎn)品支持對仿真 App 進行分發(fā)、管理和運行。Lazaro Toralles通過該產(chǎn)品對仿真 App 進行了部署，擁有訪問權(quán)限的同事可以在整個企業(yè)內(nèi)部隨時訪問 App。

仿真徹底改變了 MTC 團隊的協(xié)作方式。現(xiàn)在，他們已經(jīng)建立了一個新的協(xié)作流程，設(shè)計人員和仿真工程師可以通過高效的溝通來簡化對設(shè)計的測試及修改過程，并最終按客戶的需求進行大規(guī)模生產(chǎn)。

Lazaro Toralles 承認，起初他們向其他部門介紹仿真 App 時，很多人持懷疑態(tài)度?！拔覀儾坏貌慌幦∷麄兊男湃?。但當(dāng)他們看到模型能持續(xù)穩(wěn)定地輸出可靠的結(jié)果后，終于認識到了仿真的價值。仿真 App 中包含各種功能：它可以呈現(xiàn)打印的幾何切面圖、顯示網(wǎng)格、引導(dǎo)工程師執(zhí)行扭曲分析，并提供反饋息?！狈抡婀ぷ鳜F(xiàn)在已經(jīng)成為 MTC 工作流程中不可或缺的一部分，大幅提升了物理建模團隊和設(shè)計團隊之間的溝通效率。這一新的方式徹底改變了零件的設(shè)計流程。