在設計精密零件時，設計人員面臨的一項艱巨的挑戰(zhàn)是，如何在保證設計的產(chǎn)品能夠實現(xiàn)快速批量生產(chǎn)的同時，使其符合極其嚴格的行業(yè)標準。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，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中心（Manufacturing Technology Centre，簡稱MTC）長期致力于研究增材制造技術，為航空航天產(chǎn)業(yè)的零件制造商提供設計和物理樣機。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），這項技術利用數(shù)十微米厚的粉末層，通過激光逐層構建出零件。3D 打印系統(tǒng)會按照預定義的打印路徑，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量和性能，MTC 幾年前便開始使用 COMSOL Multiphysics? 軟件進行虛擬設計測試、模型驗證和性能預測。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。

全新的零件設計方法

MTC 物理建模團隊負責人Borja Lazaro Toralles 表示，激光粉體熔化成型技術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)生殘余應力。這會造成微觀結構發(fā)生緩慢的變化，進而導致零件發(fā)生變形，如圖 1（左）所示。

在某些情況下這些變形并不重要，然而對于有些應用而言，即使是 100 微米（0.1 毫米）的差異，也會超出標準規(guī)格的允許范圍，致使零件無法使用。針對這些應用，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)和微觀結構的演變無法被消除，MTC 的團隊打算從另一個方向來處理這一問題?！拔覀儎?chuàng)建了一個可用于預測零件構建過程中的應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?！盠azaro Toralles 解釋道，“只要掌握了這些信息，我們就可以‘抵消’零件設計中的變形。這意味著我們能預先掌控翹曲問題，將最終產(chǎn)品塑造成客戶真正想要的形狀?！?/p>

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

圖1. 左：扭曲零件的示例。由于存在殘余應力，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)過扭曲調整后的最終葉輪設計。

此外，多物理場仿真還為 MTC 的增材制造設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，查看需要修改的設計因素。

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

模擬各類復雜零件

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，能為設計工程師提供調整設計所需的信息。

他告訴我：“傳統(tǒng)的增材制造模型非常精細，即便是微觀結構，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，我們在保證結果準確性的同時，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)可以調節(jié)，包括材料屬性、集總層厚度、夾持在零件上的構建板，以及網(wǎng)格單元大小等。

設計團隊借助 COMSOL 軟件中的結構力學功能，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)生的應力，并對零件的最終形狀進行了預測（圖 2）。

圖 2. 仿真結果顯示了葉輪中的位移，并據(jù)此預測最終的零件形狀。

分享預測能力

借助仿真分析預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計和仿真兩個業(yè)務組，各組內的人員可以發(fā)揮其自身技術優(yōu)勢。然而這種做法會讓部件的設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。設計工程師無需接觸復雜的底層仿真模型，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)進行調整。

設計團隊使用各類 CAD 平臺創(chuàng)建了大量復雜零件，因此 COMSOL 模型及相關仿真 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、變形和應力水平的仿真結果。

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，便可以在仿真中調整設計并測試修改。

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，這樣設計工程師就能導入零件模型，并預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容都是經(jīng)過反復斟酌才加入到 App 中，其中部分輸入和設置被鎖定，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，擁有訪問權限的同事可以在整個企業(yè)內部隨時訪問 App。

仿真徹底改變了 MTC 團隊的協(xié)作方式?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)建立了一個新的協(xié)作流程，設計人員和仿真工程師可以通過高效的溝通來簡化對設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?。但當他們看到模型能持續(xù)穩(wěn)定地輸出可靠的結果后，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、引導工程師執(zhí)行扭曲分析，并提供反饋息。”仿真工作現(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計流程。