拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization）是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證 – 基于高端CAE仿真軟件進(jìn)行產(chǎn)品性能的評估，CAE技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了保障。拓?fù)鋬?yōu)化與用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證的仿真軟件的結(jié)合衍生出了新層次的設(shè)計(jì)自由度，設(shè)計(jì)師可以輕松地通過拓?fù)鋬?yōu)化找到材料布局，再考慮更多的設(shè)計(jì)要求，包括應(yīng)力、屈服強(qiáng)度等通過晶格進(jìn)行更精細(xì)程度的材料分配，達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

    3D打印適合用來制造非常復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，尤其是那些通過傳統(tǒng)制造難以或者無法加工出來的設(shè)計(jì)。

     總體來說，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)尋求獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳材料分布的“物善其用”，設(shè)計(jì)驗(yàn)證基于產(chǎn)品性能出發(fā)為拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果“保駕護(hù)航”?！巴?fù)鋬?yōu)化、用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證的仿真、3D打印”三者的聯(lián)袂，實(shí)現(xiàn)以“輕量化、結(jié)構(gòu)一體化、高端復(fù)雜化”為導(dǎo)向的產(chǎn)品再設(shè)計(jì)，是面向增材制造的先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造的“三個(gè)火槍手”。此外，在3D打印領(lǐng)域，關(guān)于工藝控制方面的仿真也尤為重要，隨著3D打印產(chǎn)業(yè)化的深入，仿真貫穿了設(shè)計(jì)到制造的方方面面。

     拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)計(jì)驗(yàn)證、3D打印，這三者的結(jié)合釋放了設(shè)計(jì)的自由度，拓?fù)鋬?yōu)化與仿真的結(jié)合將最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀與最優(yōu)的產(chǎn)品性能相結(jié)合起來設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)通過3D打印技術(shù)“輸出”出來。三者相互配合，相互促進(jìn)，相得益彰。

本期，谷.專欄來與谷友一同感受數(shù)字制造界的產(chǎn)品再設(shè)計(jì)。通過安世亞太分享的案例講述“三個(gè)火槍手”如何進(jìn)行材料拓?fù)渥顑?yōu)布局、晶格點(diǎn)陣精細(xì)化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品輕量化與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)、刻面光順化與重構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證等多種內(nèi)容。

起點(diǎn)-拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)

安世中德做為安世亞太與德國CADFEM合資公司，將面向增材制造的先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造構(gòu)架分為四個(gè)環(huán)節(jié)：

(1) 先進(jìn)設(shè)計(jì)
(2) 工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化
(3) 增材制造設(shè)備
(4) 質(zhì)量檢測

其中“先進(jìn)設(shè)計(jì)”作為“面向增材先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造”第一環(huán)節(jié)涉及三個(gè)步驟：

(1) 起點(diǎn)-拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)
(2) 過程-設(shè)計(jì)與模型處理光順化與重構(gòu)
(3) 驗(yàn)證-仿真計(jì)算與評估

   拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用能建立在靜力學(xué)、屈曲、高級非線性、模態(tài)、諧響應(yīng)、隨機(jī)振動(dòng)等多種仿真計(jì)算基礎(chǔ)上,多款仿真軟件均有能力不等的拓?fù)鋬?yōu)化分析模塊，其中ANSYS Topology Optimization和ANSYS Genesis均有良好的拓?fù)鋬?yōu)化能力表現(xiàn)。

拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用一般能夠分為如下幾個(gè)過程：

(1) 指定優(yōu)化和不優(yōu)化區(qū)域
(2) 響應(yīng)約束定義（質(zhì)量、體積、全局和局部應(yīng)力、位移、反力、固有頻率、屈曲載荷因子、隨機(jī)響應(yīng)、用戶自定義響應(yīng)、傳遞函數(shù)等）
(3) 加工約束定義（最小構(gòu)件尺寸、最大構(gòu)件尺寸、拔出方向、擠出方向、對稱、循環(huán)）
(4) 優(yōu)化目標(biāo)定義（質(zhì)量分?jǐn)?shù)、慣性矩、加速度、位移、速度、應(yīng)變能、自然頻率、屈曲載荷因子、隨機(jī)響應(yīng)、用戶自定義、響應(yīng)傳遞函數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變等 ）
(5) 求解與結(jié)果提取

參考案例

簡易輪轂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)案例

- 輪轂輪輻循環(huán)對稱約束
- 5幅輪轂優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域比對
- 拔模與非拔模方向

簡易無人機(jī)骨架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)案例

- 兩方向平面對稱約束控制
- 考慮成員尺寸控制

圖片來源：安世亞太

夾取機(jī)械手連臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)案例

- 夾取機(jī)械手連臂結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用多螺栓組裝配連接
- 考慮多件融合思想采用增材制造手段將多連接零件組合設(shè)計(jì)
- 減少裝配工序提高裝配環(huán)節(jié)干擾因素
- 滿足產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)

圖片來源：安世亞太

平板搬運(yùn)機(jī)械連臂結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)案例

- 平板搬運(yùn)機(jī)械連臂結(jié)構(gòu)原始模型采用多組螺栓連接、施焊工藝
- 原結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證不滿足力學(xué)性能指標(biāo)
- 考慮多件融合思想結(jié)合增材制造技術(shù)
- 迭代修改原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間，修正產(chǎn)品驗(yàn)證失敗結(jié)構(gòu)，輕量化且依然有能力提高材料利用率

過程-設(shè)計(jì)與模型處理

設(shè)計(jì)與模型處理階段過程僅僅圍繞拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行，是拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)“起點(diǎn)”的延續(xù)，可以考慮如下兩個(gè)方面因素：

- 如何更好考慮刻面化結(jié)構(gòu)的光順處理過程；
- 如何更好考慮結(jié)構(gòu)幾何重構(gòu)過程滿足特殊裝配工藝、安裝連接的需求。

SpaceClaim Direct Modeler通過“檢查刻面、自動(dòng)修復(fù)、收縮纏繞、柔和”等功能，能繼拓?fù)鋬?yōu)化之后將刻面片粗劣結(jié)構(gòu)進(jìn)行高度光順化處理，光順化的結(jié)構(gòu)擁有符合力學(xué)特征和流暢的幾何過渡轉(zhuǎn)角，STL文件可以直接送入3D增材打印機(jī)進(jìn)行打印。

同時(shí)SpaceClaim Direct Modeler快速建模技術(shù)、修復(fù)技術(shù)、高級蒙皮功能技術(shù)能根據(jù)光順后的外觀進(jìn)行建模重構(gòu)造型設(shè)計(jì)，最大化保留拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)形貌并加入設(shè)計(jì)師對產(chǎn)品特殊細(xì)節(jié)思考以滿足復(fù)雜裝配結(jié)構(gòu)安裝定位配合功能等需求。

參考案例

輪轂結(jié)構(gòu)的光順化處理與結(jié)構(gòu)重構(gòu)設(shè)計(jì)案例

- 光順化設(shè)計(jì)
- 剖面蒙皮技術(shù)
- 曲線抽取技術(shù)
- 結(jié)構(gòu)重構(gòu)

圖片來源：安世亞太

異形齒輪結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣設(shè)計(jì)案例

- 基于Lattice拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)
- 重構(gòu)模型考慮齒輪的安裝、定位、公差配合
- 增材制造工藝完成產(chǎn)品打印，輔以機(jī)械加工

圖片來源：安世亞太

骨骼結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣設(shè)計(jì)案例

- 基于Lattice點(diǎn)陣填充
- 滿足醫(yī)學(xué)中相關(guān)骨結(jié)構(gòu)的分析研究需求

保障-設(shè)計(jì)驗(yàn)證評估

設(shè)計(jì)驗(yàn)證評估是“先進(jìn)設(shè)計(jì)”的護(hù)航員，是拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)運(yùn)用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與重構(gòu)合理性的最終保障。

ANSYS Mechanical驗(yàn)證系統(tǒng)搭建能將拓?fù)鋬?yōu)化后的光順化重構(gòu)模型直接引入驗(yàn)證系統(tǒng)，驗(yàn)證求解模塊完全繼承初始模型加載的邊界條件快速建立驗(yàn)證計(jì)算，仿真工程師也可以基于此搭建更高級的仿真驗(yàn)證分析。

圖片：驗(yàn)證系統(tǒng)搭建，來源安世亞太

參考案例

掛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證案例

- 原結(jié)構(gòu)采用拼焊設(shè)計(jì)，局部位置不滿足驗(yàn)證計(jì)算需求
- 修改原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間考慮多件融合增材制造設(shè)計(jì)
- 基于多工況計(jì)算獲得拓?fù)湫蚊?br />- 直接建模法重構(gòu)幾何進(jìn)行多工況驗(yàn)證產(chǎn)品強(qiáng)度

圖片來源：安世亞太

夾取機(jī)械手連臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證案例

- 原機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用多螺栓連接
- 板件加工方便但耗材嚴(yán)重
- 拓?fù)鋬?yōu)化考慮多件融合設(shè)計(jì)
- 提高裝配可靠性且輕量化效益顯著
- 基于刻面光順化幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行多工況分析直接驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性

小結(jié)

    產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)初期，憑借想象、經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)往往不夠，充分利用“拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)”結(jié)合豐富“產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)”，更有能力設(shè)計(jì)出滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)技術(shù)方案、工藝要求、質(zhì)輕、質(zhì)優(yōu)等特質(zhì)的卓越產(chǎn)品。

     拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)多見于輕量化、多件融合等設(shè)計(jì)運(yùn)用，但長期制約于最優(yōu)拓?fù)湫蚊哺叨葟?fù)雜演化、設(shè)計(jì)空間多變而難以用傳統(tǒng)制造方法加工。增材制造技術(shù)是一種通過材料層層累加的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)制造的方法，增材制造技術(shù)的成熟發(fā)展為復(fù)雜產(chǎn)品、異形設(shè)計(jì)制造實(shí)現(xiàn)了可能。

    拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)尋求一種能夠根據(jù)給定負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在指定區(qū)域內(nèi)對材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，將區(qū)域離散成足夠多的子區(qū)域，借助FEM分析技術(shù)按照指定優(yōu)化策略、約束準(zhǔn)則、目標(biāo)等從這些子區(qū)域中刪除一定數(shù)量單元，用保留下來的單元描述結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)?，發(fā)揮系統(tǒng)材料最大利用率。

   拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)打開了產(chǎn)品再設(shè)計(jì)領(lǐng)域前所未有的天地，增材制造技術(shù)的核心價(jià)值也體現(xiàn)在以拓?fù)鋬?yōu)化、點(diǎn)陣設(shè)計(jì)、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)引領(lǐng)的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中。這些因素的結(jié)合使得產(chǎn)品輕量化、結(jié)構(gòu)一體化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工成為可能。

     期待安世中德面向增材的先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造解決能力以及高端仿真技術(shù)解決能力與開發(fā)能力，助力更多企業(yè)產(chǎn)品“設(shè)計(jì)優(yōu)化升級、復(fù)雜工程項(xiàng)目研發(fā)攻克、應(yīng)用開發(fā)自主化”等進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)。