拓撲優化、設計驗證、3D打印-案例講述“三個火槍手”的故事

拓撲優化、設計驗證、3D打印-案例講述“三個火槍手”的故事
拓撲優化，設計驗證、3D打印，這三者的結合釋放了設計的自由度，拓撲優化與仿真的結合將最優的結構形狀與最優的產品性能相結合起來設計，這樣的設計通過3D打印技術“輸出”出來。三者相互配合，相互促進，相得益彰。本期，增材專欄與大家一同感受數字制造界的產品再設計。通過安世亞太分享的案例講述“三個火槍手”如何進行材料拓撲最優布局、晶格點陣精細化設計、產品輕量化與結構一體化設計、刻面光順化與重構設計、仿真設計驗證等多種內容。
拓撲優化(hua)（Topology Optimization）是一種(zhong)根據給定的(de)負載情況、約(yue)束(shu)條件和性能指標，在給定的(de)區域內對材料分(fen)布進行(xing)優化(hua)的(de)數學方法，是結構(gou)優化(hua)的(de)一種(zhong)。

設(she)(she)計(ji)(ji)驗證 - 基于(yu)高(gao)端CAE仿真(zhen)軟件(jian)進行產(chan)品(pin)性能(neng)的(de)(de)(de)評估，CAE技術為產(chan)品(pin)設(she)(she)計(ji)(ji)提供了保障。拓(tuo)(tuo)撲(pu)優(you)化(hua)與(yu)用于(yu)設(she)(she)計(ji)(ji)驗證的(de)(de)(de)仿真(zhen)軟件(jian)的(de)(de)(de)結(jie)合(he)衍(yan)生出了新(xin)層次(ci)的(de)(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)自由度，設(she)(she)計(ji)(ji)師可以輕松(song)地(di)通過拓(tuo)(tuo)撲(pu)優(you)化(hua)找到材料布局(ju)，再考慮更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)要(yao)求(qiu)，包括應力、屈服(fu)強度等通過晶格進行更(geng)精細(xi)程度的(de)(de)(de)材料分(fen)配，達到設(she)(she)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)最優(you)化(hua)。

3D打印適合用來制造非常(chang)復雜的產(chan)品設(she)計，尤(you)其(qi)是那(nei)些通過傳統制造難以或者無(wu)法加工(gong)出來的設(she)計。

總體(ti)來說(shuo)，拓撲優(you)化技術尋求獲得產(chan)(chan)(chan)品設(she)(she)計(ji)(ji)最佳材料分布的(de)(de)“物善其用”，設(she)(she)計(ji)(ji)驗證(zheng)基于產(chan)(chan)(chan)品性能出發為拓撲優(you)化結果“保駕護航(hang)”。“拓撲優(you)化、用于設(she)(she)計(ji)(ji)驗證(zheng)的(de)(de)仿真(zhen)、3D打印”三(san)者的(de)(de)聯袂，實(shi)現以“輕量(liang)化、結構一體(ti)化、高端(duan)復雜(za)化”為導向(xiang)的(de)(de)產(chan)(chan)(chan)品再設(she)(she)計(ji)(ji)，是面(mian)(mian)向(xiang)增材制(zhi)造(zao)的(de)(de)先進設(she)(she)計(ji)(ji)與(yu)制(zhi)造(zao)的(de)(de)“三(san)個火槍手”。此外，在3D打印領(ling)域(yu)，關(guan)于工藝控制(zhi)方(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)仿真(zhen)也尤(you)為重要，隨著(zhu)3D打印產(chan)(chan)(chan)業化的(de)(de)深入，仿真(zhen)貫穿了設(she)(she)計(ji)(ji)到制(zhi)造(zao)的(de)(de)方(fang)方(fang)面(mian)(mian)面(mian)(mian)。

拓(tuo)撲(pu)(pu)優化，設計(ji)驗(yan)證、3D打(da)印，這三(san)者的(de)結(jie)合釋放了設計(ji)的(de)自由度，拓(tuo)撲(pu)(pu)優化與仿真的(de)結(jie)合將最優的(de)結(jie)構形(xing)狀與最優的(de)產品性能相(xiang)(xiang)(xiang)結(jie)合起來(lai)設計(ji)，這樣的(de)設計(ji)通過3D打(da)印技術“輸出”出來(lai)。三(san)者相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)配合，相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)促進，相(xiang)(xiang)(xiang)得益彰(zhang)。

本期，增材專欄與大家一同感受數字制造界的產品再設計。通過安世亞太分享的案例講述“三個火槍手”如何進行材料拓撲最優布局、晶格點陣精細化設計、產品輕量化與結構一體化設計、刻面光順化與重構設計、仿真設計驗證等多種內容。
起點-拓撲優化技術

安(an)世中德作為安(an)世亞太與(yu)德國(guo)CADFEM合資公司，將面向增材制(zhi)(zhi)造的先進設計與(yu)制(zhi)(zhi)造構架分為四個環(huan)節：

(1) 先進設計

(2) 工藝設計與優化

(3) 增材制造(zao)設(she)備

(4) 質量檢測

其中“先進設計”作為“面向增材先進設計與制造”第一環節涉及三個步驟：

(1) 起(qi)點-拓撲(pu)優化(hua)技術

(2) 過程(cheng)-設(she)計與(yu)模(mo)型處理光順(shun)化(hua)與(yu)重(zhong)構

(3) 驗證-仿真計算與(yu)評估

拓撲優化技術應用能建立在(zai)靜力(li)學、屈(qu)曲、高級非(fei)線性(xing)、模(mo)態、諧響應、隨機振動(dong)等多種(zhong)仿真(zhen)計算基礎上,多款仿真(zhen)軟件均有(you)能力(li)不(bu)等的拓撲優化分析模(mo)塊，其中ANSYS Topology Optimization和ANSYS Genesis均有(you)良好(hao)的拓撲優化能力(li)表現。

拓撲優化(hua)應用一般能夠分為如(ru)下幾個過程：

(1) 指定優化(hua)和不優化(hua)區域

(2) 響應約束定義(yi)（質(zhi)量、體積、全局和局部應力、位移(yi)、反力、固有頻率、屈曲(qu)載荷因子、隨機響應、用戶自定義(yi)響應、傳遞函數(shu)等）

(3) 加工約(yue)束定(ding)義（最小構件尺寸、最大構件尺寸、拔出(chu)方向、擠出(chu)方向、對稱、循環）

(4) 優化目(mu)標定義（質(zhi)量分數、慣性(xing)矩、加速度、位移、速度、應(ying)變(bian)能、自(zi)(zi)然頻率(lv)、屈曲載荷(he)因子、隨(sui)機響應(ying)、用戶自(zi)(zi)定義、響應(ying)傳遞函(han)數、應(ying)力、應(ying)變(bian)等）

(5) 求解與結果提取
簡易輪轂結(jie)構拓撲(pu)優化設計案例(li)

- 輪轂輪輻循環對稱約束

- 5幅輪轂優(you)化設計區域比對

- 拔模與非拔模方向

簡易無人機骨架(jia)拓撲優化設計(ji)案例

- 兩方向(xiang)平面對(dui)稱約束控制

- 考慮成員尺寸控制
夾取機械手(shou)連臂(bei)結構拓撲(pu)優(you)化(hua)設計案例

- 夾(jia)取機械手連臂結構傳統設(she)計(ji)采用多(duo)螺栓組裝配(pei)連接(jie)

- 考慮多(duo)件(jian)(jian)融合思(si)想采用(yong)增材制造手段將多(duo)連接(jie)零件(jian)(jian)組合設計(ji)

- 減少裝(zhuang)配工序提(ti)高裝(zhuang)配環節干擾因素(su)

- 滿(man)足產品輕量化設計(ji)

 平板搬運機械連臂結構拓撲(pu)設計案例

- 平板(ban)搬運機械(xie)連臂結構原始模型采用多(duo)組螺栓連接(jie)、施焊(han)工藝

- 原結構仿真(zhen)設(she)計驗證不滿足力學性(xing)能指標

- 考慮(lv)多件融合思想(xiang)結(jie)合增(zeng)材制(zhi)造技術(shu)

- 迭代修(xiu)改原始結構設(she)計空間，修(xiu)正產品驗(yan)證失敗結構，輕量化且依然有能力提高材料利用率

過程-設(she)計(ji)與(yu)模型處理

設計與(yu)模型處理階段過程僅僅圍繞拓(tuo)(tuo)撲優化(hua)結果進行，是拓(tuo)(tuo)撲優化(hua)設計“起點(dian)”的延續，可以(yi)考慮如下兩個(ge)方面因(yin)素：

- 如何更好考(kao)慮刻面化(hua)結構的(de)光順處理過程；

- 如何(he)更好考(kao)慮結構幾何(he)重構過(guo)程滿足(zu)特殊裝配(pei)工藝、安(an)裝連接(jie)的(de)需(xu)求。

SpaceClaim Direct Modeler通過“檢查刻(ke)面(mian)、自動修復、收(shou)縮纏繞、柔和”等功能，能繼拓撲優化(hua)之后將刻(ke)面(mian)片粗劣結構進(jin)行(xing)高度(du)光順化(hua)處理，光順化(hua)的結構擁有符合力學特征和流暢的幾何過渡(du)轉角，STL文件可以直接送入3D增材打印機進(jin)行(xing)打印。

同時(shi)SpaceClaim Direct Modeler快速(su)建模技(ji)術、修(xiu)復技(ji)術、高(gao)級蒙皮功(gong)能(neng)技(ji)術能(neng)根(gen)據(ju)光順后的外觀進行(xing)建模重構造型(xing)設計，最大化保留拓撲(pu)優化結構形貌并加入設計師對(dui)產品特殊(shu)細節思考以滿足復雜裝(zhuang)配(pei)結構安裝(zhuang)定位配(pei)合功(gong)能(neng)等需求。

參考案例

 輪轂(gu)結構的光順(shun)化處(chu)理與結構重構設計案例(li)

- 光順化設計

- 剖面蒙皮技術

- 曲線抽取技術

- 結構重構

 異形齒(chi)輪結構點(dian)陣(zhen)設計案例

- 基于Lattice拓撲優化進行輕量(liang)化設計

- 重構模型考(kao)慮齒輪的安(an)裝、定(ding)位、公差配合

- 增(zeng)材制造工藝完成產品(pin)打印，輔(fu)以機械加

 骨骼(ge)結構點陣設計(ji)案例

- 基于Lattice點(dian)陣填充(chong)

- 滿足醫學中相關骨(gu)結構的(de)分析研(yan)究(jiu)需求

保障-設計驗證評估

設計驗證評估(gu)是“先(xian)進設計”的護航(hang)員，是拓(tuo)撲優化技術運(yun)用、結(jie)構設計與(yu)重(zhong)構合(he)理性(xing)的最(zui)終保障。

ANSYS Mechanical驗(yan)(yan)證系(xi)(xi)統搭建能(neng)將拓撲(pu)優化后的(de)(de)光順化重構模型(xing)直(zhi)接引入驗(yan)(yan)證系(xi)(xi)統，驗(yan)(yan)證求解(jie)模塊完全繼承初始模型(xing)加載的(de)(de)邊界條件快速建立(li)驗(yan)(yan)證計算，仿(fang)真工(gong)程師也可(ke)以基于(yu)此搭建更高級(ji)的(de)(de)仿(fang)真驗(yan)(yan)證分析。

 掛架結構(gou)設計驗證案例

- 原結(jie)構(gou)采用拼焊設計(ji)，局部(bu)位置不(bu)滿足(zu)驗證(zheng)計(ji)算需(xu)求(qiu)

- 修改原結(jie)構設(she)計空間(jian)考慮多件融(rong)合增材制造設(she)計

- 基(ji)于(yu)多工(gong)況(kuang)計算獲得拓(tuo)撲形貌

- 直接建模(mo)法重構幾(ji)何進行多(duo)工況(kuang)驗(yan)證產品(pin)強度

 夾取機械手(shou)連(lian)臂結構設計驗證案例

- 原機械手(shou)臂結(jie)構設計采用多螺栓連接(jie)

- 板件加工方(fang)便但耗材(cai)嚴重

- 拓(tuo)撲優化考慮(lv)多(duo)件融合(he)設(she)計

- 提高裝配可靠(kao)性且(qie)輕(qing)量化效益顯著

- 基于(yu)刻面(mian)光順化幾(ji)何結構進行多工況分析直接驗證設計的合理性

產(chan)品概念設(she)計(ji)初期，憑借(jie)想象、經(jing)驗對其進行研發設(she)計(ji)往往不夠，充分利(li)用“拓撲優化(hua)技術(shu)”結合豐(feng)富“產(chan)品設(she)計(ji)經(jing)驗”，更(geng)有能力設(she)計(ji)出滿(man)足產(chan)品結構(gou)技術(shu)方案、工藝要求、質(zhi)輕(qing)、質(zhi)優等特質(zhi)的卓(zhuo)越產(chan)品。

拓(tuo)撲優化技術(shu)多(duo)見于(yu)輕量化、多(duo)件(jian)融合等設(she)計(ji)運(yun)用，但長期制(zhi)約(yue)于(yu)最優拓(tuo)撲形貌高度(du)復雜演化、設(she)計(ji)空間多(duo)變(bian)而難以用傳統制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)方法(fa)加(jia)(jia)工。增材(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)技術(shu)是一種(zhong)通(tong)過材(cai)料層層累加(jia)(jia)的(de)方式實現(xian)產(chan)品結構制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)的(de)方法(fa)，增材(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)技術(shu)的(de)成熟發(fa)展為復雜產(chan)品、異形設(she)計(ji)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)實現(xian)了可能(neng)。

拓撲優(you)化技術(shu)尋求(qiu)一種能(neng)夠(gou)根(gen)據(ju)給定負載情(qing)況、約束條(tiao)件和性能(neng)指標(biao)，在指定區(qu)域內對材料分布進行優(you)化的數學方法，將區(qu)域離(li)散成(cheng)足夠(gou)多的子區(qu)域，借助FEM分析(xi)技術(shu)按照(zhao)指定優(you)化策(ce)略、約束準則(ze)、目標(biao)等從這些子區(qu)域中(zhong)刪除一定數量單(dan)元，用保留下(xia)來的單(dan)元描述結構的最優(you)拓撲，發揮系統材料最大利用率。

拓(tuo)撲(pu)優化技術打開了產(chan)(chan)品再設(she)計領域前所未有的天地，增材制造技術的核心價值也體現(xian)在(zai)以拓(tuo)撲(pu)優化、點陣設(she)計、創(chuang)成式設(she)計引(yin)領的復雜產(chan)(chan)品設(she)計之中。這些因素的結合使得(de)產(chan)(chan)品輕量化、結構一體化、復雜結構設(she)計與加工(gong)成為可能(neng)。

期待安世中德面向增材的先進設計與制造解決能力以及高端仿真技術解決能力與開發能力，助力更多企業產品“設計優化升級、復雜工程項目研發攻克、應用開發自主化”等進程的實現。