在组合载荷下对增材制造自支撑格栅填充销耳件的优化

用更少材料制造更坚固的零件

从飞机到电动汽车，工程师一直面临在不牺牲安全性的前提下减轻重量的压力。一种有前景的方法是将笨重的金属件挖空，用 3D 打印制造的复杂内部框架替代实心内部。本文探讨了如何设计和优化这种轻量“格栅”，以便关键连接件——称为销耳支架——在同时承受拉力、压力和扭转时仍保持强度。

为什么隐藏的框架很重要

许多现代结构使用薄外壳——想想飞机机身或汽车车身——以节省材料。但每当这些外壳需要与其他部件连接时，例如在螺栓孔或接头处，设计就必须加厚并保持实心以承受高载荷。传统制造往往无法轻易成形那些看不见的内部空间，因此这些“硬点”内部的体积常被浪费。增材制造（即 3D 打印）改变了这一点。它可以逐层构建复杂的内部框架，将空腔变成经过精心设计的格栅，高效承载荷载同时保持整体重量低。

设计自支撑的内部骨架

作者以销耳支架——一种常见的叉形连接件为研究对象，在其内部填充三种不同的杆状格栅，每种格栅在节点处分别由三根、四根或六根杆交汇。由于内部空间在打印后无法清理，格栅必须是“自支撑”的：其杆件需有足够陡的倾角，通常高于 45 度，以便在无需额外临时支撑的情况下打印。团队系统性地改变格栅的三项几何特征：杆件的厚度、长度（或高度）以及与水平面的夹角。所有部件均采用桌面型熔融沉积打印机和常见塑料（PLA）打印，使得该工作对实用且注重成本的应用具有相关性。

对支架进行测试

真实零件很少仅承受单向简单力。为模拟实际工况，研究者对销耳样件施加两类组合载荷：压缩加剪切（推压同时滑动）和拉伸加剪切（拉伸同时滑动）。他们记录每种设计能承受的最大力以及断裂前的变形量。同时，他们用有限元模型模拟相同试验，并通过基于能量的校正使相对简单的线性计算模型能够匹配试验中观察到的更复杂行为。对比显示出良好一致性，证明这些模拟可以用于在不制造数百个试样的情况下探索广泛的设计选项。

让算法搜索最佳设计

由于格栅类型、杆件厚度、长度和角度存在许多可能的组合，作者采用贝叶斯优化——一种将问题视为“黑盒”并从每次模拟结果中学习下一步尝试哪些设计的策略。他们同时设定两个目标：降低销耳的峰值应力并减轻其重量。为公平比较不同设计，他们对每个设计在应力和减重方面进行尺度化和排序，然后寻找在这两者间取得平衡的配置。经过数百次迭代，算法识别出设计空间中的优选区域，并指出在每种载荷条件下哪些变量最为重要。

关于智能格栅的研究发现

结果表明，并非所有格栅都相同。填充 3 杆格栅的销耳支架在强度与轻量之间通常提供最佳组合，尤其是在许多实际零件常见的压缩—剪切组合载荷下表现突出。6 杆格栅的设计表现最差，主要因为其节点布局和密度不能有效传递力。在所有类型中，增大杆件厚度是降低应力最有效的手段，尤其当零件以压缩为主时；而杆件高度和悬垂角度在拉伸占主导时起更大作用。分析还表明杆长存在“最佳区间”：过短会使结构沉重且过于刚性；过长则使细长杆更易屈曲或弯曲。

对更轻、更安全结构的启示

对非专业读者而言，关键结论是 3D 打印件的内部几何可以像桥梁的桁架一样进行调谐，智能算法能够帮助找到既更轻又更安全的设计。本研究表明，自支撑的杆状格栅能够显著减轻销耳支架的重量，同时仍能应对现实的推、拉和剪切组合载荷。尤其是精心设计的 3 杆格栅，为工程师在必要处以少量额外材料换取大幅提高的强度提供了广泛的选择。随着结构件 3D 打印日益普及，这类考虑几何的优化方法有望推动更轻的飞机、更高效的车辆以及其他高性能设备从实验室走向日常应用。

引用: Ture, M.O., Evis, Z. Optimization of an additively manufactured self-supporting lattice-filled clevis component under combined loading. Sci Rep 16, 13107 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43826-9

关键词: 增材制造, 格栅结构, 轻量化设计, 结构优化, 3D 打印接头