面向金属增材制造的NURBS伴随形状优化中新型限制性设计约束的开发

《Graphical Models》：Developing novel restrictive design for additive manufacturing (DfAM) constraints for NURBS-based adjoint shape optimization for metal AM

本研究针对金属增材制造（AM）中优化设计与可制造性脱节的问题，开发了一种基于NURBS（非均匀有理B样条）和IGES（初始图形交换规范）CAD文件修改的集成框架。研究人员将限制性设计（DfAM）约束，如悬垂角（overhang angle）和薄壁（thin wall）限制，引入到基于伴随法的形状优化流程中。该框架成功应用于燃气轮机燃料喷射器的旋流器叶片优化，实现了性能优化与可制造性的统一，显著减少了支撑材料用量和构建时间。此项工作为复杂表面流体器件的“AM-aware”优化设计提供了新范式，具有重要的工程应用价值。

　　

在当今工业界，金属增材制造（Additive Manufacturing, AM）正以其前所未有的设计自由度，颠覆着复杂构件的制造方式。特别是激光粉末床熔融（Laser-Powder Bed Fusion, L-PBF）技术，能够制造出传统减材工艺难以企及的复杂结构，为工程师探索性能最优设计打开了新的大门。形状优化，尤其是基于伴随法（Adjoint Method）的优化，是一种强大的仿真驱动设计工具，它能够从初始设计（基线）出发，通过修改形状参数，在满足约束的前提下最大化或最小化特定目标函数，从而获得性能卓越的构件。这种技术已在微流控、声学、热交换器、空气动力学等诸多领域取得成功应用。

然而，一个突出的问题在于，这些先进的形状优化仿真过程往往并非“AM-aware”，即它们很少考虑最优设计的可制造性。仿真得出的“纸上谈兵”的最优设计，在投入金属增材制造时，可能会遭遇重重障碍。L-PBF工艺存在诸多固有挑战，如高表面粗糙度、热变形、悬垂结构需要支撑、激光-粉末相互作用、未熔合缺陷、匙孔孔隙、有限的工艺公差导致的特征尺寸限制等。其中，悬垂角（指成型表面与构建平台之间的夹角）和薄壁结构是可制造性的两个关键约束。悬垂角过小会导致需要大量支撑结构，增加后处理难度、成本和表面瑕疵；而薄壁结构若低于工艺极限则可能无法成功制造或影响性能。因此，如何在设计优化阶段就融入这些制造约束，确保“最优设计”同时也是“可制造的设计”，成为了连接虚拟仿真与物理制造的关键桥梁，这也是设计 for AM（Design for AM, DfAM）的核心议题。

为了破解这一难题，宾夕法尼亚州立大学机械工程系的Sagar Jalui、Jacqueline O’Connor、Yuan Xuan和Guha Manogharan组成的研究团队，在《Graphical Models》上发表了一项创新研究，他们开发了一种新颖的限制性DfAM约束方法，并将其集成到基于NURBS的伴随形状优化工作流中。该研究旨在通过直接修改CAD文件中的NURBS参数信息，在优化过程中同步施加金属AM约束，从而引导优化过程产生既高性能又可制造的设计。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，建立了一种基于Python的自动化流程，用于从标准IGES CAD文件中提取和替换NURBS曲面信息（特别是控制点坐标），这些控制点被定义为形状优化的设计变量。其次，通过逆向工程对基线几何（燃气轮机燃料喷射器旋流器叶片）进行重构，形成组织化的NURBS曲面片结构，并利用遗传算法确保优化过程中几何的内外部连续性（水密性）。最后，基于NURBS曲面评估点云，开发并实施了针对薄壁厚度（通过计算最近点对距离）和自支撑悬垂角（通过表面法向量与构建方向夹角计算）的约束施加算法，这些约束在CAD层面进行修改，并与从商业CFD软件（Star-CCM+）获得的伴随梯度信息协同作用，驱动形状向可制造方向演化。

研究结果

1. NURBS信息提取与替换的成功实现

研究人员成功开发了Python脚本，能够精确解析IGES文件格式，提取其中存储NURBS曲面参数的Type 128数据段，包括度数、节点向量、控制点坐标和权重。利用NURBS-Python (geomdl) 库，他们创建了可可视化及操作的NURBS曲面实例。关键突破在于能够将商业CFD求解器计算得到的伴随梯度（即目标函数对设计变量的灵敏度df(x?)/dx?）导入Python，并将其转化为控制点的位移向量，随后将这些修改后的控制点坐标精准地替换回原始IGES文件的相应位置，同时保持文件格式的完整性。这为实现CAD与仿真工具之间的自动化数据交换奠定了基础。

2. 几何连续性的有效保障

面对复杂CAD模型中常见的修剪曲线（Trimming Curves）带来的连续性挑战，研究团队通过预处理的NURBS数据结构重组，显著降低了设计变量的数量（减少46.53%）。通过确保相邻曲面片边界以及曲面与整体流场域边界处控制点的共位和协同位移，并辅以遗传算法进行边界匹配优化，有效保证了形状修改过程中几何的水密性（G⁰连续性）。这使得修改后的CAD模型能够被商业CFD软件无缝重新网格化，进行后续仿真迭代。

3. 限制性DfAM约束的有效施加

研究结果表明，基于点云采样计算薄壁厚度的方法，在采样密度与计算精度之间取得了平衡，其精度（不同采样密度下厚度差异约0.11 mm）足以满足当前L-PBF工艺（如IN718材料）的特征分辨率要求（约250 μm）。对于悬垂角约束，通过沿构建方向（+z方向）局部移动表面控制点的策略，成功地将旋流器叶片上的悬垂角修正至自支撑角度（45°）以上。经3DXpert打印准备软件验证，Python算法识别的悬垂区域与专业软件结果高度一致。修正后的DfAM设计相较于基线设计，支撑材料用量减少了11,496 mm3，每个喷射器的构建时间缩短了1.295小时，并且通过实际打印（使用3DSystems ProX 320设备打印IN718材料）证实了其确实实现了无支撑打印。

4. 初步性能影响评估

尽管形状修改的主要目的是满足可制造性，但初步的流体动力学分析显示，仅通过施加DfAM约束进行形状调整后，在燃烧室出口附近的湍流边界层区域，体积平均速度模量这一目标函数值提升了15%，表明形状改变对性能产生了显著影响。这提示了将可制造性约束与性能优化目标协同考虑的必要性和潜力。

本研究成功开发并验证了一个将限制性DfAM约束集成到基于NURBS的伴随形状优化中的创新框架。该框架的核心优势在于其能够利用标准的、可交换的IGES CAD文件格式，在优化循环中自动施加用户定义的制造约束（如悬垂角和薄壁限制），从而弥合了高性能仿真设计与实际增材制造能力之间的鸿沟。研究不仅提供了具体的技术路径，包括NURBS参数提取与替换、几何连续性保持以及CAD层面的约束施加算法，还通过燃气轮机燃料喷射器的实际案例证明了该框架的有效性，显著提升了设计的可制造性（支撑减少、时间缩短）。

这项工作的重要意义在于，它推动形状优化流程向“AM-aware”方向迈进了一大步，确保通过复杂仿真得到的最优设计不再是“空中楼阁”，而是能够直接应用于金属激光粉末床熔融等先进制造工艺的切实可行的方案。该方法具有通用性，可扩展至其他表面流体器件乃至更广泛的复杂结构件的设计与制造中。未来，研究人员计划进一步探究DfAM约束与性能优化目标的协同优化策略，并对优化后的喷射器进行燃烧试验，以获取实验性能对比数据，从而不断完善这一面向制造的设计优化范式。