導(dǎo)讀：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)經(jīng)典又傳統(tǒng)的問(wèn)題，從古至今人類(lèi)始終都在追求材料的高效利用。如何使用科學(xué)的方法來(lái)快速高效地設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，一直以來(lái)都是工程師和設(shè)計(jì)師所追求的終極目標(biāo)。

作為力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以力學(xué)為基礎(chǔ)，集數(shù)學(xué)、物理、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)甚至圖形學(xué)等許多不同學(xué)科不同領(lǐng)域于一體，一般是指為了滿(mǎn)足某一種或多種特定目標(biāo)（如材料消耗最少化、建造成本最小化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最大化、結(jié)構(gòu)美感最大化等等），在某些需要滿(mǎn)足的約束下（如體積約束、重量約束、幾何約束等），對(duì)整體或局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

通常情況下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化（Structural Optimization）按照問(wèn)題的難度和對(duì)結(jié)構(gòu)的改變程度，可以分為三個(gè)不同的層次，分別為：

●?尺寸優(yōu)化（Size Optimization）

●?形狀優(yōu)化（Shape Optimization）

●?拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization）

尺寸優(yōu)化：優(yōu)化結(jié)構(gòu)各個(gè)部件的尺寸參數(shù)，如桿的粗細(xì)，殼的厚度，構(gòu)件的截面尺寸等等。

形狀優(yōu)化：一般是指在保持結(jié)構(gòu)拓?fù)溥B接關(guān)系不變的前提條件下，將構(gòu)件的截面形狀，節(jié)點(diǎn)的空間位置或者連續(xù)體的形狀等作為設(shè)計(jì)變量，即通過(guò)修改模型的形狀與邊界，來(lái)改變整體結(jié)構(gòu)的幾何特征。

拓?fù)鋬?yōu)化：拓?fù)鋬?yōu)化的概念來(lái)自于拓?fù)鋵W(xué)，一般是指在某種給定的優(yōu)化準(zhǔn)則和需要滿(mǎn)足的約束條件下，在模型需要優(yōu)化的區(qū)域即設(shè)計(jì)域內(nèi)確定實(shí)體域一般指材料的數(shù)量及布局，例如確定結(jié)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件（如梁、柱、墻等）的布局及其節(jié)點(diǎn)的空間位置與連接關(guān)系。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，就是給一定數(shù)量的材料，通過(guò)確定這些材料在整個(gè)設(shè)計(jì)域內(nèi)的空間分布，使得最終得到的結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足條件的前提下達(dá)到最大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

從尺寸優(yōu)化到形狀優(yōu)化再到拓?fù)鋬?yōu)化，問(wèn)題的復(fù)雜度越來(lái)越高，難度也變得越來(lái)越大，因此它們?cè)诠こ虘?yīng)用中的成熟度依次降低。然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這三個(gè)優(yōu)化層次的使用順序恰好相反，分別對(duì)應(yīng)于三個(gè)不同的設(shè)計(jì)階段。

一般整個(gè)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要在概念設(shè)計(jì)階段初步?jīng)Q定，這也是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中難度最大的階段，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意、水平，能夠反映結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。確定了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，便進(jìn)入基本設(shè)計(jì)階段，即進(jìn)一步優(yōu)化各個(gè)部件的形狀，最后再進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，確定每一個(gè)部件的尺寸大小。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程遵循從整體到局部的設(shè)計(jì)理念，即先從宏觀(guān)上設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)，再?gòu)木植扛倪M(jìn)構(gòu)造、優(yōu)化尺寸。

當(dāng)然，一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)一般很難通過(guò)這個(gè)過(guò)程就能一次確定下來(lái)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)這個(gè)過(guò)程一般需要不斷地迭代更新，以在滿(mǎn)足各種設(shè)計(jì)需求的前提下，達(dá)到最終的目的。

同時(shí)，如何在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮增材制造工藝約束，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果的快速直接制備，也是一個(gè)非常重要的關(guān)注點(diǎn)。增材制造并非完全“自由”制造，仍然存在獨(dú)特的制造約束，主要包括以下三類(lèi)：結(jié)構(gòu)最大/最小尺寸、支撐結(jié)構(gòu)、制造缺陷（表面粗糙度、材料各向異性等）。

尺寸特征

不同的3D打印設(shè)備具有不同的成型尺寸和打印精度，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注意最大/最小尺寸。一般情況下，結(jié)構(gòu)的最大尺寸由成型平臺(tái)決定，過(guò)大的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)工藝分離面和連接形式。最小尺寸特征由打印設(shè)備的精度、分辨率、光斑大小等參數(shù)決定，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)避免無(wú)法制造的細(xì)桿、小孔等結(jié)構(gòu)。

增材制造結(jié)構(gòu)的連接形式和測(cè)試樣件

增材制造結(jié)構(gòu)的最小尺寸約束

支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

增材制造過(guò)程中，往往需要在懸垂結(jié)構(gòu)下方添加支撐結(jié)構(gòu)，以防止制造過(guò)程中結(jié)構(gòu)坍塌。但是支撐結(jié)構(gòu)不僅僅會(huì)帶來(lái)材料的浪費(fèi)、打印時(shí)間的增加，而且在后處理過(guò)程中帶來(lái)工藝難度增加，影響結(jié)構(gòu)最終表面精度。因此設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化過(guò)程中自動(dòng)識(shí)別特征結(jié)構(gòu)，避免大懸挑結(jié)構(gòu)。

筆者分享一個(gè)設(shè)計(jì)小技巧：當(dāng)支撐面無(wú)法避免時(shí)，那么就把表面質(zhì)量要求最高的面設(shè)計(jì)為支撐面，這與支撐面表面質(zhì)量最差的常識(shí)正好相反。因?yàn)樵霾闹圃斓牧慵话銦o(wú)法滿(mǎn)足直接裝配的要求，裝配面等質(zhì)量要求高的面需要再次機(jī)械加工，這樣做的好處是去支撐的后處理過(guò)程正好與機(jī)械加工同時(shí)進(jìn)行。

制造缺陷

增材制造技術(shù)雖得到了飛速的發(fā)展，然而整體來(lái)看該制造工藝仍處于技術(shù)發(fā)展初期，產(chǎn)品往往存在一些缺陷，例如材料各向異性、表面粗糙、內(nèi)部孔洞、材料性能不穩(wěn)定等問(wèn)題。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)考慮制造缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，主要包括：設(shè)計(jì)較大的安全裕度（＞1.5），設(shè)計(jì)時(shí)考慮無(wú)損檢測(cè)的可檢性和可達(dá)性，缺陷易發(fā)區(qū)域設(shè)計(jì)為非關(guān)鍵區(qū)域等。

總之，面向增材制造的設(shè)計(jì)（Design for Additive Manufacturing，簡(jiǎn)稱(chēng)DfAM或增材設(shè)計(jì)）就是從產(chǎn)品功能出發(fā)，同時(shí)兼顧增材制造工藝的可行性的設(shè)計(jì)方法，它是在關(guān)注增材制造工藝的商業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)零件、組件甚至系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，安世亞太提出DfAM設(shè)計(jì)方法，就是基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造整體解決方案，是新一代造物革命下的全新設(shè)計(jì)范式。