增材制造可以實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝手段無法制造的設(shè)計，比如復雜輕量化結(jié)構(gòu)、點陣結(jié)構(gòu)、多零件融合結(jié)構(gòu)一體化制造等。增材制造不僅是工藝的革命，它還帶來了設(shè)計的革命，帶來了全新的設(shè)計可行性，使得改變設(shè)計理念成為必然。本期聚焦安世中德提出的面向增材制造的正向設(shè)計理念和解決方案，所分享的案例的整個設(shè)計流程涵蓋拓撲優(yōu)化、后拓撲重構(gòu)與詳細設(shè)計以及設(shè)計驗證等增材設(shè)計的所有主要部分。

        本文將安世中德提出的面向增材制造的先進設(shè)計理念和解決方案應用到某結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過拓撲優(yōu)化概念設(shè)計、后拓撲模型重構(gòu)、根據(jù)仿真結(jié)果對模型進行調(diào)整的詳細設(shè)計，最終設(shè)計的仿真驗證以及物理樣機的打印與測試這一套完整流程，完成了具有較高極限承載力的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計。值得一提的是，通過仿真驗證獲得的極限承載力與實測的極限承載力的誤差只有2.5%。

面向增材制造的正向設(shè)計

      基于增材思維的設(shè)計是一場設(shè)計的革命，它完全打開了設(shè)計枷鎖，進行面向增材制造、由產(chǎn)品性能驅(qū)動的設(shè)計。在該設(shè)計流程中，正向設(shè)計是核心思想，仿真優(yōu)化是核心技術(shù)，其基本流程為：

來源：3D科學谷

本文將上述面向增材制造的先進設(shè)計流程具體應用到某結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

 結(jié)構(gòu)設(shè)計問題描述

       自然界的螞蟻是舉世公認的“大力士”，它能舉起300倍于自己的物體。而3D打印與正向設(shè)計的結(jié)合，正在釋放出“小重量，大力氣”的產(chǎn)品創(chuàng)新空間。本文聚焦于擴散連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計：集中載荷作用在結(jié)構(gòu)中心，并通過擴散連接結(jié)構(gòu)傳遞到主結(jié)構(gòu)完成集中載荷的擴散。通過優(yōu)化擴散連接結(jié)構(gòu)，可以更高效的將集中載荷擴散到主結(jié)構(gòu)。其優(yōu)化目標是結(jié)構(gòu)承受的集中力載荷最大；其結(jié)構(gòu)約束為材料用量不超過30ml；其打印材料為光敏樹脂，其部分物理、力學及工藝特性如表1所示。

表1. 光敏樹脂的部分物理、力學及工藝特性

初始結(jié)構(gòu)模型及相應結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計在此初始模型上進行。

圖1. 初始結(jié)構(gòu)示意圖。來源：安世亞太

連接結(jié)構(gòu)的上方φ10通孔處為受力點，施加向下的集中載荷，下方均布的8個φ6.2通孔處為螺栓固定區(qū)域。加載試驗描述如下：試件通過螺栓固定在下方工裝上，上方通過接頭緩慢向下移動，施加載荷，直到結(jié)構(gòu)破壞，加載工裝示意圖如圖2所示。

圖2. 加載工裝示意圖。來源：安世亞太

 基于產(chǎn)品性能要求定義設(shè)計空間、設(shè)計條件和設(shè)計目標

基于產(chǎn)品性能要求定義設(shè)計空間、設(shè)計條件和設(shè)計目標如下：

• 設(shè)計空間，即設(shè)計區(qū)域約束如下（見圖1）：
• 灰色區(qū)域為初始結(jié)構(gòu)（參考結(jié)構(gòu)）
• 黃色區(qū)域為不可設(shè)計區(qū)域
• 載荷的初始加載高度為70mm（不可更改）
• 螺栓墊片的固緊高度為8mm（不可更改）
• 工裝有8個連接點，不必全部連接，可使用其中部分連接點用螺栓固定
• 結(jié)構(gòu)不能含有封閉空腔
• 設(shè)計目標：結(jié)構(gòu)承受的集中力載荷最大
• 設(shè)計條件：材料用量不高于30ml（體積）

 拓撲優(yōu)化設(shè)置及結(jié)果– 概念設(shè)計

   首先對初始結(jié)構(gòu)按上述要求進行拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化基于已知的設(shè)計空間、工況條件以及設(shè)計約束，并考慮工藝約束，通過計算材料內(nèi)最佳的傳力路徑，通過優(yōu)化單元密度確定可以挖除的材料。拓撲優(yōu)化革新了傳統(tǒng)的功能驅(qū)動的經(jīng)驗設(shè)計模式，實現(xiàn)了性能驅(qū)動的生成式設(shè)計，成為真正的正向設(shè)計模式。

針對本次結(jié)構(gòu)設(shè)計，拓撲優(yōu)化的實現(xiàn)手段是：

（1）在SpaceClaim里對初始模型進行處理，將初始模型分為8個區(qū)域，如圖3所示；

圖3. 拓撲優(yōu)化初始結(jié)構(gòu)。來源：安世亞太

（2）在ANSYS Workbench里創(chuàng)建拓撲優(yōu)化流程，即Static Structural + Topology Optimization，如圖4所示。

圖4. 拓撲優(yōu)化流程。來源：安世亞太

(責任編輯：admin)

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