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

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

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

●?尺寸優(yōu)化（Size Optimization）

●?形狀優(yōu)化（Shape Optimization）

●?拓撲優(yōu)化（Topology Optimization）

尺寸優(yōu)化：優(yōu)化結(jié)構(gòu)各個部件的尺寸參數(shù)，如桿的粗細，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)拓撲連接關(guān)系不變的前提條件下，將構(gòu)件的截面形狀，節(jié)點的空間位置或者連續(xù)體的形狀等作為設(shè)計變量，即通過修改模型的形狀與邊界，來改變整體結(jié)構(gòu)的幾何特征。

拓撲優(yōu)化：拓撲優(yōu)化的概念來自于拓撲學(xué)，一般是指在某種給定的優(yōu)化準則和需要滿足的約束條件下，在模型需要優(yōu)化的區(qū)域即設(shè)計域內(nèi)確定實體域一般指材料的數(shù)量及布局，例如確定結(jié)構(gòu)中各個構(gòu)件（如梁、柱、墻等）的布局及其節(jié)點的空間位置與連接關(guān)系。簡單的來說，就是給一定數(shù)量的材料，通過確定這些材料在整個設(shè)計域內(nèi)的空間分布，使得最終得到的結(jié)構(gòu)在滿足條件的前提下達到最大的結(jié)構(gòu)強度。

從尺寸優(yōu)化到形狀優(yōu)化再到拓撲優(yōu)化，問題的復(fù)雜度越來越高，難度也變得越來越大，因此它們在工程應(yīng)用中的成熟度依次降低。然而在實際設(shè)計中，這三個優(yōu)化層次的使用順序恰好相反，分別對應(yīng)于三個不同的設(shè)計階段。

一般整個結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)要在概念設(shè)計階段初步?jīng)Q定，這也是整個設(shè)計過程中難度最大的階段，拓撲結(jié)構(gòu)能夠體現(xiàn)設(shè)計者的創(chuàng)意、水平，能夠反映結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。確定了拓撲結(jié)構(gòu)之后，便進入基本設(shè)計階段，即進一步優(yōu)化各個部件的形狀，最后再進入詳細設(shè)計階段，確定每一個部件的尺寸大小。整個設(shè)計過程遵循從整體到局部的設(shè)計理念，即先從宏觀上設(shè)計整體結(jié)構(gòu)，再從局部改進構(gòu)造、優(yōu)化尺寸。

當然，一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)一般很難通過這個過程就能一次確定下來，在實際設(shè)計時這個過程一般需要不斷地迭代更新，以在滿足各種設(shè)計需求的前提下，達到最終的目的。

同時，如何在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中考慮增材制造工藝約束，實現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果的快速直接制備，也是一個非常重要的關(guān)注點。增材制造并非完全“自由”制造，仍然存在獨特的制造約束，主要包括以下三類：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)計時要注意最大/最小尺寸。一般情況下，結(jié)構(gòu)的最大尺寸由成型平臺決定，過大的結(jié)構(gòu)應(yīng)當設(shè)計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)計師應(yīng)當避免無法制造的細桿、小孔等結(jié)構(gòu)。

增材制造結(jié)構(gòu)的連接形式和測試樣件

增材制造結(jié)構(gòu)的最小尺寸約束

支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

筆者分享一個設(shè)計小技巧：當支撐面無法避免時，那么就把表面質(zhì)量要求最高的面設(shè)計為支撐面，這與支撐面表面質(zhì)量最差的常識正好相反。因為增材制造的零件一般無法滿足直接裝配的要求，裝配面等質(zhì)量要求高的面需要再次機械加工，這樣做的好處是去支撐的后處理過程正好與機械加工同時進行。

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)定等問題。設(shè)計者應(yīng)當考慮制造缺陷對結(jié)構(gòu)性能的影響，主要包括：設(shè)計較大的安全裕度（＞1.5），設(shè)計時考慮無損檢測的可檢性和可達性，缺陷易發(fā)區(qū)域設(shè)計為非關(guān)鍵區(qū)域等。

總之，面向增材制造的設(shè)計（Design for Additive Manufacturing，簡稱DfAM或增材設(shè)計）就是從產(chǎn)品功能出發(fā)，同時兼顧增材制造工藝的可行性的設(shè)計方法，它是在關(guān)注增材制造工藝的商業(yè)化應(yīng)用過程中實現(xiàn)對零件、組件甚至系統(tǒng)的重新設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，安世亞太提出DfAM設(shè)計方法，就是基于增材思維的先進設(shè)計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)計范式。