《Journal of Manufacturing Processes》：Integrated topology and shape optimization of a thin-walled automotive demonstrator under casting constraints
编辑推荐：
•集成设计到制造工作流（integrated design-to-manufacturing workflow）
•在铸造约束下开发的薄壁球墨铸铁（ductile iron）汽车部件
•局部形状优化（local shape optimization）降低了峰值
•集成设计到制造工作流（integrated design-to-manufacturing workflow）
•在铸造约束下开发的薄壁球墨铸铁（ductile iron）汽车部件
•局部形状优化（local shape optimization）降低了峰值应力集中
•铸造模拟（casting simulation）评估了可制造性和缺陷风险
•工作流通过成功的砂型铸造（sand casting）演示件得到验证
在当前汽车工业向低碳转型的背景下，轻量化设计被视为降低材料消耗、减少能耗和CO?排放的重要手段。砂型铸造因设计灵活、模具成本低和周期短，特别适合中小批量复杂薄壁铸件。球墨铸铁EN-GJS-400-15具有良好强度和韧性，且可由回收废钢熔炼，具有经济与环保优势。然而薄壁结构在铸造过程中极易出现充型不足、缩松、白口化等缺陷，同时作为受力部件又要求避免高应力集中。拓扑优化可以生成效率较高的材料布局，但原始优化结果往往存在封闭空腔、突变截面等不可制造特征，必须进行面向铸造工艺的重新设计。因此，将结构优化、工艺约束和验证集成为一个连续的工作流，是薄壁铸件设计面临的关键问题。
为此，研究人员以拖车底盘中的一个薄壁连接件为对象，提出了一条“拓扑优化—铸造约束重构—局部形状优化—模拟验证—砂型铸造试样”的完整技术路线。该研究发表在《Journal of Manufacturing Processes》。他们采用SIMP方法在商用软件PERMAS中开展拓扑优化，以柔度最小化为目标，同时施加质量约束以及对称和过滤条件。优化得到的几何在SolidWorks中按照砂型铸造规则重建，引入了3?mm最小壁厚、脱模斜度、圆角过渡以及取芯所需的贯通孔。取芯孔会中断载荷路径并引起应力集中，因此研究人员在Abaqus中采用梯度型非参数边界变化方法，对孔边界进行局部形状优化，使应力场更均匀。随后，又在特定位置增设肋板以改善扭转刚度。最后，利用MAGMASOFT 6.1对整个浇注系统进行充型、凝固和缺陷风险模拟，并用3D打印砂型铸造成形了实际演示件，完成了从数字设计到物理实物的闭环。
本研究涉及的关键技术方法包括：基于SIMP的拓扑优化（PERMAS）；基于CAD重构的铸造约束转化；基于梯度法的边界形状优化（Abaqus）；基于MAGMASOFT的充型-凝固-性能多场耦合计算；以及基于3D打印砂型的试制验证。演示件是拖车底盘中的薄壁铸铁连接件，材料为EN-GJS-400-15。
研究结果部分，按照论文的四个子标题进行说明：
在“优化几何演变”中，从拓扑优化初始布局，到铸造再设计模型，再到形状优化后的孔轮廓和加肋最终结构，逐步展示了几何的演化过程。结果显示，通过逐级调整，既满足了最小厚度和砂芯可取性，又保持了清晰的载荷路径。
在“结构性能”分析中，采用有限元方法对Load Case 1（最恶劣工况）进行了对比。原始演示件最大von Mises应力约为550?MPa，质量7.4?kg；再设计后由于引入取芯孔，应力反而升高至约621?MPa；局部形状优化使峰值应力显著下降至约295?MPa，质量约7.3?kg；随后增加肋板使应力进一步降至约285?MPa，质量保持为7.4?kg。这表明该工作流能够在质量不变的前提下显著改善应力分布和刚度。
在“可铸造性评估”中，MAGMASOFT模拟给出充型速度峰值约0.15?m/s，远低于0.3–0.5?m/s的湍流临界值；凝固过程未在危险位置预测到缩松、浇不足或冷隔。通过合理的孕育处理，最薄处3?mm部位未出现白口化；模拟还预测芯孔附近平均屈服强度约338?MPa，高于该处结构应力285?MPa，确保了强度裕度。
在“制造演示件”验证中，实际铸出三个演示件，铸件截面最薄处实测2.81?mm，冶金分析显示铁素体基体、珠光体含量8%、石墨结节平均665个/mm
2、球化率81%，且无碳化物形成。尺寸检查和外观检验表明，零件几何精度良好，与模拟结果一致。
最后，讨论部分指出，铸造约束虽然在设计早期限制了拓扑的自由度，但避免了后期反复更改；局部形状优化能够有效补偿取芯孔带来的性能损失；均质材料假设通过工艺模拟与结构仿真结果的交叉对比得以验证。整体工作流缩短了开发周期，增强了制造信心。研究结论如下：
本工作提出了一种将拓扑优化、考虑铸造因素的重新设计、形状优化和工艺模拟相结合的一体化工作流，用于开发球墨铸铁（EN-GJS-400-15）薄壁拖车演示件。从简化设计空间出发，拓扑优化建立了高效的载荷路径和轻量化结构概念；随后重新设计引入了最小壁厚和砂芯可取性等铸造约束，获得了完全可制造的结构；针对取芯孔周围的局部形状优化降低了峰值应力并均匀化应力场，而增设肋板在基本不增加质量的前提下提高了扭转刚度。铸造模拟验证了完整充型、可控凝固以及关键区域无严重缺陷。最终演示件通过3D打印砂型成功制造，验证了所提出的“设计—制造”工作流的可行性。结果强调了在早期设计阶段就耦合制造约束的重要性，使得优化几何能够直接转化为可投产的零件。该工作流可为未来同时追求轻量化、应力控制和可制造性的复杂铸件开发提供参考。未来工作将集中于演示件的力学和疲劳性能实验验证，并对局域材料模型和随工艺变化的性能进行细化，以更深入地理解设计优化、制造条件与薄壁构件结构耐久性之间的关系。
