增材制造設(shè)計(jì)（Design for Additive Manufacturing，DfAM，簡(jiǎn)稱(chēng)增材設(shè)計(jì)），是應(yīng)用于增材制造工藝的可制造性設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)增材制造過(guò)程中的零件、組件甚至系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造的全新設(shè)計(jì)范式。

增材設(shè)計(jì)的核心技術(shù)是仿真驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，包括創(chuàng)成式設(shè)計(jì)技術(shù)、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、點(diǎn)陣設(shè)計(jì)技術(shù)、參數(shù)優(yōu)化技術(shù)、仿真分析技術(shù)等。其中，拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，用于優(yōu)化材料的合理分布以及獲得理想傳力路徑。

拓?fù)鋬?yōu)化：實(shí)現(xiàn)真正的正向設(shè)計(jì)模式

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)屬于概念設(shè)計(jì)，基于減材設(shè)計(jì)理念，通過(guò)計(jì)算可挖除的材料區(qū)域來(lái)確定材料分布，基于拓?fù)鋬?yōu)化可以形成非常富有想象力的顛覆性設(shè)計(jì)方案，使得全新的設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)方案能夠通過(guò)增材制造得到實(shí)現(xiàn)。

拓?fù)鋬?yōu)化可以幫助確定結(jié)構(gòu)的材料分布，在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的時(shí)候可以考慮結(jié)構(gòu)靜力學(xué)或者動(dòng)力學(xué)條件、多工況、多目標(biāo)、多約束條件、以及工藝約束條件等，基于已知的設(shè)計(jì)空間確定剛度最大、質(zhì)量最小或者體積最小等優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)計(jì)算材料內(nèi)的傳力路徑、優(yōu)化單元密度確定可以挖除的材料，從而獲得結(jié)構(gòu)設(shè)定區(qū)域內(nèi)材料分布。拓?fù)鋬?yōu)化革新了傳統(tǒng)的功能驅(qū)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)了性能驅(qū)動(dòng)的生成式設(shè)計(jì)，成為真正的正向設(shè)計(jì)模式。

廣義的拓?fù)鋬?yōu)化還包括其它結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)：形狀（形貌）優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。形狀優(yōu)化以有限元模型節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，節(jié)點(diǎn)位置是設(shè)計(jì)變量，通過(guò)節(jié)點(diǎn)位置的變化優(yōu)化結(jié)構(gòu)外形；形貌優(yōu)化是形狀優(yōu)化的一個(gè)特殊情況，可以生成加強(qiáng)筋。尺寸優(yōu)化以有限元模型單元為對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化，用于薄壁或者細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，其設(shè)計(jì)變量是單元的截面尺寸，如梁橫截面尺寸或薄殼厚度等。

拓?fù)鋬?yōu)化僅給出材料分布的概念設(shè)計(jì)，還需要針對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行處理。后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借助于專(zhuān)業(yè)的模型處理技術(shù)，最大限度地保留拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)特征，考慮美學(xué)、力學(xué)甚至裝配要求，將其轉(zhuǎn)換為可用的設(shè)計(jì)方案并形成有效的CAD模型。后拓?fù)淠Ｐ吞幚淼年P(guān)鍵步驟包括：

• -拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果輸出STL格式；

• -在后拓?fù)涮幚憝h(huán)境中進(jìn)行片體模型處理，如清理、修復(fù)、光順、調(diào)整、分析等；

• -將STL模型轉(zhuǎn)換為CAD實(shí)體幾何模型；

• -基于實(shí)體模型直接建模操作，如拉伸、移動(dòng)、建模等；

• -當(dāng)有參數(shù)優(yōu)化需要時(shí)，對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行參數(shù)化。

應(yīng)用案例

▍2.1 振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模擬產(chǎn)品在制造、組裝運(yùn)輸以及使用執(zhí)行階段所遭遇的各種環(huán)境，用以鑒定產(chǎn)品是否具有忍受環(huán)境振動(dòng)的能力，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空、航天、通訊、電子、汽車(chē)以及家電等行業(yè)。動(dòng)圈骨架是電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的關(guān)鍵部件，其動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)劣將直接影響到振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的一階豎向共振頻率的高低，從而影響到振動(dòng)臺(tái)工作頻率的上限和非線(xiàn)性失真大小，因此一階豎向共振頻率是設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)關(guān)鍵。某型號(hào)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈原始設(shè)計(jì)如圖1所示。振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)是在保證骨架質(zhì)量不增加的前提下，其豎向一階共振頻率盡量提升，其余性能指標(biāo)（如強(qiáng)度、Q值、橫向振動(dòng)、臺(tái)面振動(dòng)均勻度等）與原設(shè)計(jì)相當(dāng)或優(yōu)于原設(shè)計(jì)。

圖1 振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架原始結(jié)構(gòu)

針對(duì)此動(dòng)圈骨架優(yōu)化策略的實(shí)現(xiàn)手段是：

-首先在ANSYS Workbench里對(duì)動(dòng)圈結(jié)構(gòu)的原設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有限元分析，以獲得原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以此分析為基礎(chǔ)，利用拓?fù)鋬?yōu)化軟件GENESIS對(duì)動(dòng)圈骨架原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)湫蚊矁?yōu)化，以獲得具有材料分布和傳力路徑的動(dòng)圈骨架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)；

-然后基于拓?fù)鋬?yōu)化的材料分布確定參數(shù)化建模方案并利用參數(shù)優(yōu)化軟件optiSLang對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，完成最終的詳細(xì)設(shè)計(jì)；

-最后，對(duì)最終的詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析，提取相應(yīng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)值，并與原設(shè)計(jì)的相應(yīng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較，最終確定優(yōu)化設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足要求。

拓?fù)湫蚊矁?yōu)化的目標(biāo)是動(dòng)圈骨架結(jié)構(gòu)的豎向剛度最大，質(zhì)量最小，約束是變形不大于原設(shè)計(jì)在相同載荷條件下的變形。其優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。拓?fù)湫蚊矁?yōu)化結(jié)果可以給出后續(xù)設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向。從拓?fù)湫蚊矁?yōu)化的結(jié)果可以看出：骨架的腹板中央和面板和外圍環(huán)板區(qū)域應(yīng)該減薄；腹板外側(cè)和骨架底部環(huán)板區(qū)域應(yīng)該加厚。具體減薄、加厚的范圍以及板材尺寸則需要通過(guò)參數(shù)優(yōu)化獲得。經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化和幾何模型重構(gòu)后的最終設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 拓?fù)湫蚊矁?yōu)化結(jié)果圖

3 振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架的最終設(shè)計(jì)模型

通過(guò)對(duì)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，并與原始結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，可以得出，通過(guò)優(yōu)化獲得的最終設(shè)計(jì)在質(zhì)量減小的情況下，其性能全面優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)，特別是其主要性能指標(biāo)（一階豎向共振頻率）提高了11%。

圖4 振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架優(yōu)性能驗(yàn)證

▍2.2 載荷分散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

某集中載荷作用在載荷分散結(jié)構(gòu)中心，并通過(guò)連接結(jié)構(gòu)擴(kuò)散傳遞到主結(jié)構(gòu)完成集中載荷的擴(kuò)散。為了更高效地實(shí)現(xiàn)集中載荷的擴(kuò)散，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，要求在光敏樹(shù)脂材料用量不超過(guò)30ml的基礎(chǔ)上，使得該結(jié)構(gòu)的集中載荷極限承載能力達(dá)到最大。

圖5 載荷分散結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化流程

圖6 載荷分散結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化及設(shè)計(jì)驗(yàn)證

利用ANSYS Topology對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，獲得了材料分布，并進(jìn)行了后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、重構(gòu)，形成初始設(shè)計(jì)方案，基于光敏樹(shù)脂的基本參數(shù)確定合理的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，并基于該應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，通過(guò)非線(xiàn)性材料失效模擬對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行極限承載能力和失效模式驗(yàn)證，根據(jù)仿真結(jié)果不斷地對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行迭代改進(jìn)，得到的設(shè)計(jì)方案其極限承載力達(dá)到7693N，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，它的實(shí)際加載力達(dá)到了7508.9N，仿真結(jié)果的誤差僅為2%，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)及迭代，最終設(shè)計(jì)方案的極限承載能力達(dá)到9191.6N。其拓?fù)鋬?yōu)化流程、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果、后拓?fù)淠Ｐ椭貥?gòu)以及設(shè)計(jì)驗(yàn)證如圖5、6所示。

結(jié)論：拓?fù)鋬?yōu)化將會(huì)在增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)揮更大的作用

增材制造的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的：它可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝手段無(wú)法制造的設(shè)計(jì)，比如復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多零件融合一體化制造等。增材制造帶來(lái)了全新的設(shè)計(jì)可行性，也需要匹配全新的設(shè)計(jì)理念來(lái)發(fā)揮增材制造的優(yōu)越性，即面向增材制造的設(shè)計(jì)。面向增材制造的設(shè)計(jì)其核心技術(shù)是仿真驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而拓?fù)鋬?yōu)化是其中重要的一環(huán)。本文簡(jiǎn)要闡述了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程，并通過(guò)兩個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了拓?fù)鋬?yōu)化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要作用。隨著面向增材制造的設(shè)計(jì)在增材制造產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用，拓?fù)鋬?yōu)化也會(huì)在其中發(fā)揮更大的作用。