一种双循环框架，用于通过线弧增材制造技术进行考虑可制造性的电动汽车结构拓扑优化

《ROBOTICS AND COMPUTER-INTEGRATED MANUFACTURING》：A dual-loop framework for manufacturability-aware topology optimization of electric vehicle structures via wire arc additive manufacturing

　　强崔|传宇|道千阳|江山莉|春阳宇
中国美术学院工业设计学院，杭州，中国

**摘要**
电弧增材制造（WAAM）能够高效地制造大规模电动汽车（EV）的结构，但其与离散拓扑优化（DTO）的集成往往受到静态和保守的制造限制的制约。本研究提出了一种双循环框架，通过自适应约束细化和原位工艺反馈将DTO与WAAM紧密结合。内循环基于几何偏差监测进行实时路径补偿和工艺参数调整，而外循环利用累积的制造知识更新基于倾斜度的制造约束。可打印性通过最小自支撑角阈值和最大可补偿角阈值来表征，使得制造约束能够作为分级设计变量进行建模。硬约束和软约束策略都被纳入DTO公式中，以调节对悬挑敏感的部件。本文以全尺寸电动汽车底盘为例，展示了所提出的框架，包括受约束的DTO、沉积实验和机器人WAAM制造过程，并证明了在保持负载效率拓扑结构的同时提高了可打印性。

**引言**
电动汽车（EV）需要轻量、高性能的底盘结构以提高能源效率并延长行驶里程。因此，拓扑优化（TO）已成为EV平台结构设计的关键推动技术，因为它可以生成使用传统设计方法难以实现的创新、重量效率高的配置[1]。离散拓扑优化（DTO）是TO方法的一个子类型，它使用二进制或离散的决策变量，如结构部件的存在、缺失或方向，而不是连续的密度场。这种离散表述方式与电弧增材制造（WAAM）特别兼容，因为在WAAM工艺约束下，桁架元素等特征可以更自然地分割、规划路径并进行沉积[2,3]。与此同时，WAAM是一种定向能量沉积工艺，利用电弧和金属丝，能够快速制造大规模金属部件，具有高材料利用率、减少浪费和缩短生产周期的优势[4,5]。最近的研究[6,7]表明，DTO与WAAM的集成可以显著压缩设计到生产的周期，同时实现高度定制和结构高效的车载底盘架构。

**术语列表**
φ：结构部件倾斜角度
n：最小自支撑角阈值
m：最大可补偿角阈值
Π(φ)：制造性标签（可打印/可补偿/需要支撑）
P / P*：名义工具路径/补偿后的工具路径
Pi / Pi′：名义工具路径点/重构表面上的投影点
Serror：重构的几何误差表面
L：补偿间隔
u / u*：工艺参数/更新后的工艺参数
h^(u)：在u*下的预测焊珠高度
href：参考焊珠高度
注：除非另有说明，符号遵循标准的基于地面的DTO公式。

尽管最近的研究开始将WAAM相关的约束纳入DTO中，但设计和制造仍然主要被视为顺序进行且耦合较弱的阶段。通常，DTO假设理想的几何形状、不受限制的悬挑角度和建造方向，并在设计最终确定之前忽略制造顺序。因此，优化后的结构往往需要大量的支撑材料，表现出较差的热稳定性，或者需要昂贵的后处理。一些研究试图缓解这些问题。例如，叶等人[8]提出了一个端到端的框架，整合了管状结构的布局优化、几何合理化和制造顺序规划，并通过WAAM制造试验验证了其可行性。叶等人[9]进一步将悬挑和打印方向约束直接纳入DTO公式中，而Haveroth等人[10]研究了自重加载条件下的自支撑设计策略。尽管取得了这些进展，制造数据和过程信息很少反馈到优化循环中，工具路径规划或沉积顺序仍然主要是事后进行的，而不是嵌入到设计变量本身中。这种脱节突显了需要一个统一的、自适应的框架，持续将结构优化与制造知识和过程反馈联系起来。

为了解决这一挑战，本研究提出了一个将DTO与WAAM结合的双循环框架。如图1所示，该框架包括一个用于实时几何补偿的内循环和一个用于基于知识的约束细化的 republican循环。通过结合这两个循环，所提出的框架弥合了设计和生产之间的传统差距，实现了结构拓扑和制造工艺参数的连续、数据驱动的优化。

**主要贡献包括：**
1) 提出了一种双循环的、具有制造性意识的框架，将DTO与WAAM相结合，其中制造约束被视为自适应和工艺依赖的变量，而不是固定的限制。
2) 使用基于实验的自支撑和可补偿倾斜度范围来制定可打印性，使得制造性能够超越传统的二进制悬挑约束，实现分级表示。
3) 通过实验验证和数值研究证明了所提出框架的有效性，表明在保持轻量结构拓扑的同时，可以提高制造性。

本文以全尺寸电动汽车底盘为例，展示了所提出的从设计到制造的框架。文章的其余部分组织如下：第2节回顾相关工作；第3节详细介绍了所提出的双循环框架，包括内循环的原位补偿策略和外循环的知识驱动约束细化；第4节提供了实验验证和数值案例研究；第5节讨论了自适应制造约束对设计制造协同进化的影响；第6节总结了研究成果。

**制造性约束下的离散拓扑优化**
许多研究将增材制造约束（如悬挑角限制、支撑最小化和热变形）嵌入到拓扑优化框架中，以减少对牺牲结构和后处理的依赖[11,12]。特别是，最近的空间-时间优化公式使得WAAM能够感知残余应力和建造顺序，提高了大规模打印件的质量[13]。此外，关于功能梯度材料的新研究也正在发展。

**框架概述**
为了解决静态制造约束和传统WAAM设计中固有的几何偏差的局限性，本研究提出了一种双循环框架，将结构拓扑优化与自适应过程控制紧密结合。如图1所示，所提出的框架通过两个同步的反馈机制将DTO与WAAM整合起来。外循环作为知识驱动的循环，连接结构设计、工艺规划、制造和...

**原位WAAM路径补偿的实验结果**
在本节中，进行了实验研究，以评估不同倾斜条件下所提出的原位WAAM路径补偿策略的性能。实验在由KUKA KR210工业机器人、Fronius CMT焊接系统和RVC I3360高精度工业3D相机组成的机器人WAAM平台上进行，用于原位几何测量。沉积实验使用固定的基线工艺参数进行，以隔离...

**讨论**
第4节的结果表明，将制造性约束引入DTO不可避免地会在结构效率和可打印性之间产生权衡。随着悬挑约束变得更加严格，可行的设计空间减小，优化器越来越倾向于选择主要由较陡峭部件主导的保守的承载配置。具体来说，软约束策略通过惩罚而不是消除浅角度部件来缓解这种权衡。

**结论**
本研究提出了一种具有制造性意识的WAAM DTO框架，通过双循环设计-制造耦合整合了自适应悬挑约束。通过区分自支撑（n）和可补偿（m）倾斜度范围，所提出的方法能够将可打印性作为连续的设计变量纳入考虑，而不是二进制的可行性条件。实验结果表明，软约束策略对于充分利用这一点至关重要。

**作者贡献声明**
强崔：撰写——原始草稿、软件、方法论、概念化。
传宇：资金获取、概念化。
道千阳：软件。
江山莉：软件。
春阳宇：撰写——审稿与编辑、监督。