一种选区激光熔化沉积制备轻量化高铁制动盘的方法

1.本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种选区激光熔化沉积制备轻量化高铁制动盘的方法。


背景技术：

2.高铁制动盘是高速列车制动系统中关键的核心零件之一，是列车安全运行的重要保证，能够有效地保护乘客的生命财产安全。在列车制动过程中依靠闸片与制动盘之间的摩擦完成，此过程中制动盘会产生大量的热，通过热流对、热传导和热辐射进行散热。合理的制动盘结构设计能够提高制动盘的散热能力。随着高铁制造技术的飞速发展，对其安全、高效制动的要求越来越高，轻量化制动盘不仅具有优良的散热性能，同时能够减轻列车簧下质量，提高制动效率，满足高铁对于制动盘的要求。因此，如何制造出轻量化的高铁制动盘重大的科学研究与实际的应用价值。
3.目前国内制动盘的制造方式主要为铸造与锻造等方法，但是它们都难以实现具有复杂结构的轻量化高铁制动盘的制造需求。选区激光熔化技术是增材制造技术之一，通过铺粉选区成形的方式，在复杂结构件上面具有着独特的优势，并且与拓扑优化技术相结合已经成为轻量化零件制造的最有效的手段之一。团队在前期研究中，已经采用viga技术自主制备了球形度高，粒径分布均匀的适用于选区激光熔化的24crnimoy合金钢粉末，并且能够实现传统铸造用高铁制动盘模型的选区激光熔化制备。
4.高铁制动盘轻量化设计及制备的研究尚处于起步阶段，目前，拓扑优化方法是最为有效与科学的轻量化设计方法之一。但是由于制动盘的摩擦行为是作用节点与作用力不断变化的过程，无法直接通过拓扑优化计算去实现轻量化设计。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种选区激光熔化沉积制备轻量化高铁制动盘的方法，采用基于拓扑优化计算方法提出了针对高铁制动盘轻量化设计的等效载荷法流程，能够设计出力学性能优良，散热性能好的轻量化制动盘。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.本发明所提出的一种选区激光熔化沉积制备轻量化高铁制动盘的方法，包括以下步骤：
8.s1、选取高铁制动盘模型；
9.s2、对制动盘模型进行等效微分，拆解为多个单元体结构；
10.s3、对单元体结构进行拓扑优化计算与形状优化；
11.s4、将优化后的单元体结构等效积分为轻量化制动盘模型；
12.s5、根据轻量化制动盘模型采用选区激光熔化制备轻量化高铁制动盘。
13.进一步的，所述高铁制动盘模型由摩擦面、内面、散热筋、连接扣和内外圆周面组成。
14.进一步的，所述步骤s2具体包括：选择制动盘模型的摩擦面与散热筋部分作为设计域进行设计，将制动盘模型按照散热筋分布，采用等效微分的方式，等分切割摩擦面，获得多个“工”字型单元体结构，所述单元体结构由一个圆柱体和同轴对称连接在圆柱体两端的正六棱柱组成。
15.进一步的，所述步骤s3具体包括：
16.(s3.1)对提取出的单元体结构使用固体各向同性材料惩罚模型进行拓扑优化计算，去除单元体结构的非承载力部分；
17.(s3.2)优化后的单元体结构呈双“y”型，主要变化为“工”字型上下两端的正六棱柱变化为正六棱台与正六棱柱的组合；
18.(s3.3)在双“y”型单元体结构的散热筋与正六棱台之间施加圆角，进行形状优化。
19.进一步的，所述步骤(s3.1)具体包括：
20.(s3.1.1)拓扑优化计算所用的固体各向同性材料惩罚模型的数学模型如下：
21.min c(ρ,u)＝f
tu[0022][0023][0024][0025]
ρ∈(0,1)
[0026]
其中，c为设计目标的顺应性函数单元体应变能，ρ为计算单元的相对密度，u则是计算单元的相对位移矩阵，f则是各计算单元所承受的外力载荷，k为计算单元整体刚度矩阵，为等效静载压力，ei为计算单元。vo为单元体结构体积，v
ρ
为优化计算后单元体体积，x则为目标体积分数，ki表示计算单元刚度，n为设计域内的计算单元数量，ρi为计算单元的相对密度，ρ
min
为设计域内所有计算单元的最小相对密度。p为惩罚因子。
[0027]
(s3.1.2)设置单元体目标体积x范围为70％～90％，即减重范围为10％～30％。
[0028]
(s3.1.3)在进行拓扑优化计算时，应力边界条件设定为：
[0029][0030]
其中，为等效静载压力，为面积为s的制动盘盘面上的时的瞬态压力。
[0031]
进一步的，所述步骤s4具体包括：
[0032]
(s4.1)使用等效积分法对优化后的单元体结构进行积分组合，并在内圆周面上均匀添加9个处于非设计域的连接扣，组成新型轻量化制动盘模型；
[0033]
(s4.2)减重范围小于单元体结构的预设范围，结果为8％～28％。
[0034]
进一步的，所述步骤(s4.1)中，轻量化制动盘模型包括上下摩擦面、内外圆周面、散热筋和内面，其中，内面不再是光滑平面，而是变为跟随散热筋分布的凹凸面结构，内外圆周面也随着内面的变化变为锯齿状结构的圆周面。
[0035]
进一步的，所述步骤s5中，所用粉末为24crnimoy合金钢粉末，其粒径分布为4-116
μm，平均粉末粒径为37μm；激光熔化的工艺参数：激光功率为310w，扫描速度为1m/s，扫描间距为0.09mm，层厚为0.05mm，基板预热温度为80℃。
[0036]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0037]
1、本发明提出的针对制动盘轻量化的设计制造方法，通过对制动盘中重复单元结构的分解提取，实现了具有复杂重复结构向简单结构的转变，有效地较少计算量，有效保障其力学性能，提高结构材料的利用率。
[0038]
2、本发明提出的针对制动盘轻量化的设计制造方法，通过等效载荷法将制动时的动态边界压力转换为了静态压力，将动态拓扑优化问题转化为静态拓扑优化问题，实现了具有复杂重复结构的动态应力状态下的拓扑优化轻量化设计。
[0039]
3、本发明提供出的选区激光熔化法的工艺参数，针对轻量化高铁制动盘的复杂结构，能够制造出减重范围8-28％的制动盘零件。
附图说明
[0040]
图1为针对高铁制动盘轻量化设计的等效载荷微积分法流程图；
[0041]
图2为传统铸造用制动盘模型；
[0042]
图3为制动盘等效微分提出原单元体模型过程示意图；
[0043]
图4为目标减重10％的单元体模型拓扑优化重建过程示意图；
[0044]
图5为减重8％的轻量化制动盘模型；
[0045]
图6为等效摩擦热边界热流输入条件示意图；
[0046]
图7为等效摩擦热边界传热系数条件示意图；
[0047]
图8为24crnimoy合金钢粉末粒径分布图；
[0048]
图9为减重8％的轻量化制动盘1：10缩比样品示意图；
[0049]
图10为目标减重15％的单元体模型拓扑优化重建过程示意图；
[0050]
图11为减重13％的轻量化制动盘模型；
[0051]
图12为减重13％的轻量化制动盘1：10缩比样品示意图；
[0052]
图13为目标减重30％的单元体模型拓扑优化重建过程示意图；
[0053]
图14为减重28％的轻量化制动盘模型；
[0054]
图15为减重28％的轻量化制动盘1：10缩比样品示意图。
具体实施方式
[0055]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0056]
实施例1
[0057]
一种选区激光熔化沉积制备轻量化高铁制动盘的方法，该方法包括对制动盘模型的轻量化设计与选区激光熔化24crnimoy合金钢制备。其中对制动盘的轻量化设计主要使用的是solidworks2019与ansys workbench 2020r2软件，等效摩擦热主要使用ansys workbench 2020r2软件，选区激光熔化主要使用magics 23.1软件与快速成型制造系统
afs-m260。如图1所示，具体实施步骤如下：
[0058]
步骤s1、选取高铁制动盘模型；
[0059]
根据传统铸造用制动盘构件三维模型，如图2所示，其中，摩擦面2-1的半径为320mm，圆周面2-2的厚度为23mm，散热筋2-3的直径为20mm，2-4为制动盘内面，2-5为连接扣。
[0060]
步骤s2、对制动盘模型进行等效微分，拆解为多个单元体结构；
[0061]
选择制动盘摩擦面与散热筋部分作为优化区域，将制动盘模型按照散热筋分布，采用等效微分的方式，等分切割摩擦面，获得的多个“工”字型单元体结构，单元体结构模型由一个圆柱3-2和分别设置在圆柱3-2两端且对称的正六棱柱3-1组成，过程如图3所示，所述单元体结构的尺寸如表1所示。
[0062]
表1单元体模型尺寸
[0063][0064]
步骤s3、对单元体结构进行拓扑优化计算与形状优化：
[0065]
(s3.1)对提取出的单元体结构使用固体各向同性材料惩罚模型进行拓扑优化优化计算，去除非承载力部分；具体包括：
[0066]
(s3.1.1)对步骤s2中的单元体模型利用ansys workbench 2020r2软件进行固体各向同性材料惩罚模型进行优化计算，网格采用四面体网格，网格大小为1mm，数学模型如下：
[0067]
min c(ρ,u)=f
tu[0068][0069][0070][0071]
ρ∈(0，1)
[0072]
其中，c为设计目标的顺应性函数单元体应变能，ρ为计算单元的相对密度，u则是计算单元的相对位移矩阵，f则是各计算单元所承受的外力载荷，k为计算单元整体刚度矩阵，为等效静载压力，ei为计算单元；vo为单元体结构体积，v
ρ
为优化计算后单元体体积，x则为目标体积分数，ki表示计算单元刚度，n为设计域内的计算单元数量，ρi为计算单元的相对密度，ρ
min
为设计域内所有计算单元的最小相对密度；p为惩罚因子；
[0073]
(s3.1.2)设置单元体目标体积x范围为70％～90％，即减重范围为10％～30％；本实施例中，材料刚度为31gpa，p值为3，目标体积分数x设定为90％，即在设计域内减重10％。
[0074]
(s3.1.3)在进行拓扑优化计算时，应力边界条件设定为：
[0075]
[0076]
其中，为等效静载压力，为面积为s的制动盘盘面上的时的瞬态压力。
[0077]
依据tb/t 2980-2104机车车辆用制动盘行业标准，闸片面积400cm2，最大推力为30kn，经计算可得制动盘摩擦面所受制动压力方向垂直于摩擦面。
[0078]
(s3.2)图4为单元体的拓扑优化重建过程，以最大应变能最小为优化目标，体积和位移为约束建立优化单元体模型，对优化后单元体模型使用solidworks 2019软件进行重建，优化后的单元体呈双“y”型，主要变化为“工”字型上下两端的正六棱柱变化为了正六棱台与正六棱柱的组合，正六棱台位于正六棱柱和圆柱之间；中间的圆柱体不变，正六棱柱高变为了14mm，正六棱台高度为9mm，结果如图4所示；
[0079]
(s3.3)在双“y”型单元体的散热筋与正六棱台之间，即4-1处，施加半径为6mm的圆角，进行形状优化；
[0080]
通过ansys workbench 2020r2软件进行静力学分析，发现拓扑优化后单元体模型应力分布获得了改善，并得到了设计域内的减重目标，得到其强度结果如表2所示。
[0081]
表2单元体模型优化前后等效应力与体积对比
[0082][0083]
步骤s4、将优化后的单元体结构等效积分为轻量化制动盘模型；
[0084]
(s4.1)按照等效积分原则对优化后单元体模型进行重组，并在内圆周面均匀的添加9个处于非设计域的连接扣，结果如图5所示，为轻量化高铁制动盘模型。对比图2从传统铸造用制动盘主要改变为内面，内面不再是光滑平面，变为了跟随散热筋分布的凹凸面形式，内外圆周面也随着内面变化变成了锯齿状的圆周面；
[0085]
对轻量化制动盘利用ansys workbench 2020r2软件进行等效摩擦热分析，制动初速度为350km/h，制动时间为60s，加速度为1.6m/s2，质量为60t，制动盘摩擦面输入热流与轻量化制动盘的对流辐射系数如图6和7所示，经过热分析可得轻量化制动盘模型散热性能如表3所示，与传统铸造用制动盘模型散热性能相似。
[0086]
(s4.2)轻量化制动盘模型与传统铸造用制动盘模型的体积对比如表3所示，经计算，轻量化制动盘模型由于添加了处于非设计域的连接扣，因此，目前体积为传统铸造用制动盘模型的体积的92％，实现8％的减重。
[0087]
表3制动盘模型散热性能与体积对比
[0088][0089]
步骤s5、根据轻量化制动盘模型采用选区激光熔化制备轻量化高铁制动盘；
[0090]
(s5.1)所使用24crnimoy合金钢粉末粒径分布为4-116μm，平均粉末粒径为37μm，如图8所示，为24crnimoy合金钢粉末粒径分布情况。
[0091]
(s5.2)将轻量化制动盘模型导入到magics 23.1中，对轻量化模型进行支撑的添加并留出加工余量，然后对处理完成的轻量化制动盘模型进行切片处理，切片层厚为0.05mm。
[0092]
(s5.3)将切片完成后的制动盘模型导入到快速成型制造系统afs-m260中，开始进行选区激光熔化24crnimoy合金钢成型。在选区激光熔化制备时，利用260mm
×
260mm
×
20mm的316l基板，同时保证成型仓内压力为10mpa，氧含量小于2000ppm。
[0093]
(s5.4)在选取激光熔化制备时，采用的工艺参数为：激光功率为310w，扫描速度为1m/s，扫描间距为0.09mm，层厚为0.05mm，基板预热温度为80℃。
[0094]
(s5.5)打印成型完成后，平行于基板将轻量化制动盘样品使用线切割切取下来，而后使用磨床将制动盘样品上下面两个工作面磨削至表面粗糙度ra小于2.0。通过选区激光增材制造1：10缩比样品如图9所示。
[0095]
(s5.6)通过mm-1000ⅱ摩擦机进行摩擦性能测试，制动初速度为5000r/min，制动压力为1.5mpa，经过50次的摩擦磨损实验，发现轻量化前制动盘样品磨耗为0.45g，而轻量化后制动盘样品的磨损量为0.44g，因此，轻量化制动盘样品具有良好的耐磨性能。
[0096]
实施例2
[0097]
本实施例所提出的一种选区激光熔化沉积制备轻量化高铁制动盘的方法，该方法包括对制动盘模型的轻量化设计与选区激光熔化24crnimoy合金钢制备。其主要不同点在于单元体目标质量分数为85％，即在设计域内减重15％。具体实施步骤如下：
[0098]
步骤s1、选取高铁制动盘模型；
[0099]
根据传统铸造用制动盘构件三维模型，如图2所示，其中，摩擦面2-1的半径为320mm，圆周面2-2的厚度为23mm，散热筋2-3的直径为20mm，2-4为制动盘内面，2-5为连接扣。
[0100]
步骤s2、对制动盘模型进行等效微分，拆解为多个单元体结构；
[0101]
选择制动盘摩擦面与散热筋部分作为优化区域，将制动盘模型按照散热筋分布，采用等效微分的方式，等分切割摩擦面，获得的多个“工”字型单元体结构，单元体结构模型由一个圆柱3-2和分别设置在圆柱3-2两端且对称的正六棱柱3-1组成，过程如图3所示，所述单元体结构的尺寸如表4所示。
[0102]
表4单元体模型尺寸
[0103][0104]
步骤s3、对单元体结构进行拓扑优化计算与形状优化：
[0105]
(s3.1)对提取出的单元体结构使用固体各向同性材料惩罚模型进行拓扑优化优化计算，去除非承载力部分；具体包括：
[0106]
(s3.1.1)对步骤s2中的单元体模型利用ansys workbench 2020r2软件进行固体各向同性材料惩罚模型进行优化计算，网格采用四面体网格，网格大小为1mm，数学模型如下：
[0107]
min c(ρ,u)=f
tu[0108][0109]
[0110][0111]
ρ∈(0，1)
[0112]
其中，c为设计目标的顺应性函数单元体应变能，ρ为计算单元的相对密度，u则是计算单元的相对位移矩阵，f则是各计算单元所承受的外力载荷，k为计算单元整体刚度矩阵，为等效静载压力，ei为计算单元；vo为单元体结构体积，v
ρ
为优化计算后单元体体积，x则为目标体积分数，ki表示计算单元刚度，n为设计域内的计算单元数量，ρi为计算单元的相对密度，ρ
min
为设计域内所有计算单元的最小相对密度；p为惩罚因子；
[0113]
(s3.1.2)设置单元体目标体积x范围为70％～90％，即减重范围为10％～30％；本实施例中，材料刚度为31gpa，p值为3，目标体积分数x设定为85％。
[0114]
(s3.1.3)在进行拓扑优化计算时，应力边界条件设定为：
[0115][0116]
其中，为等效静载压力，为面积为s的制动盘盘面上的时的瞬态压力。
[0117]
依据tb/t 2980-2104机车车辆用制动盘行业标准，闸片面积400cm2，最大推力为30kn，经计算可得制动盘摩擦面所受制动压力方向垂直于摩擦面。
[0118]
(s3.2)图10为单元体的拓扑优化重建过程，以最大应变能最小为优化目标，体积和位移为约束建立优化单元体模型，对优化后单元体模型使用solidworks 2019软件进行重建，优化后的单元体呈双“y”型，主要变化为“工”字型上下两端的正六棱柱变化为了正六棱台与正六棱柱的组合，正六棱台位于正六棱柱和圆柱之间；中间的圆柱体不变，正六棱柱高变为了12mm，正六棱台高度为11mm，结果如图10所示；
[0119]
(s3.3)在双“y”型单元体的散热筋与正六棱台之间，即8-1处，施加半径为6mm的圆角，进行形状优化，结果如图10所示；
[0120]
通过ansys workbench 2020r2软件进行静力学分析，发现拓扑优化后单元体模型应力分布获得了改善，并得到了设计域内的减重目标，得到其强度结果如表5所示。
[0121]
表5单元体模型优化前后等效应力与体积对比
[0122][0123]
步骤s4、将优化后的单元体结构等效积分为轻量化制动盘模型；
[0124]
(s4.1)按照等效积分原则对优化后单元体模型进行重组，并在内圆周面均匀的添加9个处于非设计域的连接扣，结果如图11所示，为轻量化高铁制动盘模型。对比图2从传统铸造用制动盘主要改变为内面，内面不再是光滑平面，变为了跟随散热筋分布的凹凸面形式，内外圆周面也随着内面变化变成了锯齿状的圆周面；
[0125]
对轻量化制动盘利用ansys workbench 2020r2软件进行等效摩擦热分析，制动初速度为350km/h，制动时间为60s，加速度为1.6m/s2，质量为60t，制动盘摩擦面输入热流与轻量化制动盘的对流辐射系数如图6和7所示，经过热分析可得轻量化制动盘模型散热性能
如表3所示，与传统铸造用制动盘模型散热性能相似。
[0126]
(s4.2)轻量化制动盘模型与传统铸造用制动盘模型的体积对比如表6所示，经计算，轻量化制动盘模型由于添加了处于非设计域的连接扣，因此，目前体积为传统铸造用制动盘模型的体积的87％，实现13％的减重。
[0127]
表6制动盘模型散热性能与体积对比
[0128][0129]
步骤s5、根据轻量化制动盘模型采用选区激光熔化制备轻量化高铁制动盘；
[0130]
(s5.1)所使用24crnimoy合金钢粉末粒径分布为4-116μm，平均粉末粒径为37μm，如图8所示，为24crnimoy合金钢粉末粒径分布情况；
[0131]
(s5.2)将轻量化制动盘模型导入到magics 23.1中，对轻量化模型进行支撑的添加并留出加工余量，然后对处理完成的轻量化制动盘模型进行切片处理，切片层厚为0.05mm；
[0132]
(s5.3)将切片完成后的制动盘模型导入到快速成型制造系统afs-m260中，开始进行选区激光熔化24crnimoy合金钢成型。在选区激光熔化制备时，利用260mm
×
260mm
×
20mm的316l基板，同时保证成型仓内压力为10mpa，氧含量小于2000ppm；
[0133]
(s5.4)在选取激光熔化制备时，采用的工艺参数为：激光功率为310w，扫描速度为1m/s，扫描间距为0.09mm，层厚为0.05mm，基板预热温度为80℃；
[0134]
(s5.5)打印成型完成后，平行于基板将轻量化制动盘样品使用线切割切取下来，而后使用磨床将制动盘样品上下面两个工作面磨削至表面粗糙度ra小于2.0。通过选区激光增材制造1：10缩比样品如图12所示；
[0135]
(s5.6)通过mm-1000ⅱ摩擦机进行摩擦性能测试，制动初速度为5000r/min，制动压力为1.5mpa，经过50次的摩擦磨损实验，发现轻量化前制动盘样品磨耗为0.45g，而轻量化后制动盘样品的磨损量为0.44g，因此，轻量化制动盘样品具有良好的耐磨性能。
[0136]
实施例3
[0137]
本实施例所提出的一种选区激光熔化沉积制备轻量化高铁制动盘的方法，该方法包括对制动盘模型的轻量化设计与选区激光熔化24crnimoy合金钢制备。其主要不同点在于单元体目标质量分数为70％，即在设计域内减重30％。具体实施步骤如下：
[0138]
步骤s1、选取高铁制动盘模型；
[0139]
根据传统铸造用制动盘构件三维模型，如图2所示，其中，摩擦面2-1的半径为320mm，圆周面2-2的厚度为23mm，散热筋2-3的直径为20mm，2-4为制动盘内面，2-5为连接扣。
[0140]
步骤s2、对制动盘模型进行等效微分，拆解为多个单元体结构；
[0141]
选择制动盘摩擦面与散热筋部分作为优化区域，将制动盘模型按照散热筋分布，采用等效微分的方式，等分切割摩擦面，获得的多个“工”字型单元体结构，单元体结构模型由一个圆柱3-2和分别设置在圆柱3-2两端且对称的正六棱柱3-1组成，过程如图3所示，所述单元体结构的尺寸如表7所示。
[0142]
表7单元体模型尺寸
[0143][0144]
步骤s3、对单元体结构进行拓扑优化计算与形状优化
[0145]
(s3.1)对提取出的单元体结构使用固体各向同性材料惩罚模型进行拓扑优化优化计算，去除非承载力部分；具体包括：
[0146]
(s3.1.1)对步骤s2中的单元体模型利用ansys workbench 2020r2软件进行固体各向同性材料惩罚模型进行优化计算，网格采用四面体网格，网格大小为1mm，数学模型如下：
[0147]
min c(ρ,u)=f
tu[0148][0149][0150][0151]
ρ∈(0，1)
[0152]
其中，c为设计目标的顺应性函数单元体应变能，ρ为计算单元的相对密度，u则是计算单元的相对位移矩阵，f则是各计算单元所承受的外力载荷，k为计算单元整体刚度矩阵，为等效静载压力，ei为计算单元；vo为单元体结构体积，v
ρ
为优化计算后单元体体积，x则为目标体积分数，ki表示计算单元刚度，n为设计域内的计算单元数量，ρi为计算单元的相对密度，ρ
min
为设计域内所有计算单元的最小相对密度；p为惩罚因子；
[0153]
(s3.1.2)设置单元体目标体积x范围为70％～90％，即减重范围为10％～30％；本实施例中，材料刚度为31gpa，p值为3，目标体积分数x设定为70％。
[0154]
(s3.1.3)在进行拓扑优化计算时，应力边界条件设定为：
[0155][0156]
其中，为等效静载压力，为面积为s的制动盘盘面上的时的瞬态压力。
[0157]
依据tb/t 2980-2104机车车辆用制动盘行业标准，闸片面积400cm2，最大推力为30kn，经计算可得制动盘摩擦面所受制动压力方向垂直于摩擦面。
[0158]
(s3.2)图13为单元体的拓扑优化重建过程，以最大应变能最小为优化目标，体积和位移为约束建立优化单元体模型，对优化后单元体模型使用solidworks 2019软件进行重建，优化后的单元体呈双“y”型，主要变化为“工”字型上下两端的正六棱柱变化为了正六棱台与正六棱柱的组合，正六棱台位于正六棱柱和圆柱之间；中间的圆柱体不变，正六棱柱高变为了5mm，正六棱台高度为18mm，结果如图13所示；
[0159]
(s3.3)在双“y”型单元体的散热筋与正六棱台之间，即11-1处，施加半径为6mm的圆角，进行形状优化，结果如图13所示；
[0160]
通过ansys workbench 2020r2软件进行静力学分析，发现拓扑优化后单元体模型应力分布获得了改善，并得到了设计域内的减重目标，得到其强度结果如表8所示。
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表8单元体模型优化前后等效应力与体积对比
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步骤s4、将优化后的单元体结构等效积分为轻量化制动盘模型；
[0164]
(s4.1)按照等效积分原则对优化后单元体模型进行重组，并在内圆周面均匀的添加9个处于非设计域的连接扣，结果如图14所示，为轻量化高铁制动盘模型。对比图2从传统铸造用制动盘主要改变为内面，内面不再是光滑平面，变为了跟随散热筋分布的凹凸面形式，内外圆周面也随着内面变化变成了锯齿状的圆周面；
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对轻量化制动盘利用ansys workbench 2020r2软件进行等效摩擦热分析，制动初速度为350km/h，制动时间为60s，加速度为1.6m/s2，质量为60t，制动盘摩擦面输入热流与轻量化制动盘的对流辐射系数如图8所示，经过热分析可得轻量化制动盘模型散热性能如表9所示，与传统铸造用制动盘模型散热性能相似；
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(s4.2)轻量化制动盘模型与传统铸造用制动盘模型的体积对比如表3所示，经计算，轻量化制动盘模型由于添加了处于非设计域的连接扣，因此，目前体积为传统铸造用制动盘模型的体积的77％，实现28％的减重。
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表9制动盘模型散热性能与体积对比
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步骤5，选区激光熔化制备轻量化高铁制动盘，包括以下步骤：
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(s5.1)所使用24crnimoy合金钢粉末粒径分布为4-116μm，平均粉末粒径为37μm，如图8所示，为24crnimoy合金钢粉末粒径分布情况。
[0171]
(s5.2)将轻量化制动盘模型导入到magics 23.1中，对轻量化模型进行支撑的添加并留出加工余量，然后对处理完成的轻量化制动盘模型进行切片处理，切片层厚为0.05mm。
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(s5.3)将切片完成后的制动盘模型导入到快速成型制造系统afs-m260中，开始进行选区激光熔化24crnimoy合金钢成型。在选区激光熔化制备时，利用260mm
×
260mm
×
20mm的316l基板，同时保证成型仓内压力为10mpa，氧含量小于2000ppm。
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(s5.4)在选取激光熔化制备时，采用的工艺参数为：激光功率为310w，扫描速度为1m/s，扫描间距为0.09mm，层厚为0.05mm，基板预热温度为80℃。
[0174]
(s5.5)打印成型完成后，平行于基板将轻量化制动盘样品使用线切割切取下来，而后使用磨床将制动盘样品上下面两个工作面磨削至表面粗糙度ra小于2.0。通过选区激光增材制造1：10缩比样品如图15所示。
[0175]
(s5.6)通过mm-1000ⅱ摩擦机进行摩擦性能测试，制动初速度为5000r/min，制动压力为1.5mpa，经过50次的摩擦磨损实验，发现轻量化前制动盘样品磨耗为0.45g，而轻量
化后制动盘样品的磨损量为0.46g，因此，轻量化制动盘样品具有良好的耐磨性能。
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以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。