北理工-黄广炎 l 基于拓扑优化方法的增材制造316L不锈钢弹丸的弹道性能

由于生产过程的复杂性，传统的减材制造方法无法满足临时的快速制造武器核心部件的需要。一种尚未被采用的可能性是通过新的增材制造（AM）技术进行原位打印，特别是对于新型的轻量化、高威力的毁伤元，通过改变毁伤元的内部结构来减轻毁伤元的重量，同时确保其能够达到特定的打击效果，成为一种新的思路。

AM技术被定义为通过添加材料分层创建零件的过程，这大大提高了零件的制造效率和设计自由度。选择性激光熔化（SLM）是AM技术之一，它以激光作为热源来扫描和选择性地熔化金属粉末，由于极高的冷却速率，SLM技术可以制造出具有优异机械性能的致密零件。研究表明，AM部件的力学性能已经达到或超过了传统制造水平，特别是316L不锈钢材料的打印相对比较成熟，这为我们实现新的毁伤元制造和设计思路提供了条件。

基于上述背景，首先通过简化圆柱形弹丸的穿靶过程，给出了一个具有三阶段的弹丸穿靶模型，然后基于Optistruct软件进行多目标拓扑优化（MOTO）仿真，得到了毁伤元的最佳拓扑结构，具有相同外部尺寸的实心和拓扑毁伤元被打印在一个SLM金属打印机上。

随后，开展了相应的弹道试验去评价两种毁伤元的侵彻性能。从弹道极限速度来看，实心毁伤元的侵彻性能比拓扑毁伤元高33.5%左右，从考虑实心毁伤元和拓扑毁伤元质量差异的等动能能量准则，两种毁伤元的侵彻性能几乎相同。结果表明，拓扑毁伤元具有满足工程应用的潜力。

该研究还为“增材制造技术与拓扑优化方法相结合”的制造新型轻型毁伤元提供了可能性。文章最后对残余拓扑毁伤元的微观结构进行了分析，探讨了拓扑毁伤元内部结构的失效机理。相关成果《Ballistic performance of additive manufacturing 316l stainless steel projectiles based on topology optimization method基于拓扑优化方法的增材制造316l不锈钢弹丸的弹道性能》发表于《Defence Technology》上。

文章提出的增材制造结合拓扑优化方法设计制造新型轻量化毁伤元的思路被验证有效。通过多工况拓扑优化设计了新型的内部拓扑结构的毁伤元，并使用选择性激光熔融技术制造了拓扑毁伤元，开展了弹道试验对比相同外形尺寸的实心和拓扑毁伤元的弹道性能，从比动能的准则判定两种毁伤元的弹道性能基本相同。

进一步地，通过扫描电镜和CT扫描等微观检测手段对回收到毁伤元的结构失效分析，为后续拓扑毁伤元的设计和制造提供了指导。对于本研究的延伸，一个更自然的想法，未来可将活性反应材料填充到拓扑毁伤元的内部空间，以增强拓扑毁伤元对目标打击的燃爆性能。