增材制造設(shè)計（Design for Additive Manufacturing，DfAM，簡稱增材設(shè)計），是應(yīng)用于增材制造工藝的可制造性設(shè)計，可實現(xiàn)對增材制造過程中的零件、組件甚至系統(tǒng)進行重新設(shè)計，已經(jīng)成為基于增材思維的先進設(shè)計與智能制造的全新設(shè)計范式。

增材設(shè)計的核心技術(shù)是仿真驅(qū)動的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，包括創(chuàng)成式設(shè)計技術(shù)、拓撲優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、點陣設(shè)計技術(shù)、參數(shù)優(yōu)化技術(shù)、仿真分析技術(shù)等。其中，拓撲優(yōu)化應(yīng)用于產(chǎn)品的概念設(shè)計階段，用于優(yōu)化材料的合理分布以及獲得理想傳力路徑。

拓撲優(yōu)化：實現(xiàn)真正的正向設(shè)計模式

拓撲優(yōu)化設(shè)計屬于概念設(shè)計，基于減材設(shè)計理念，通過計算可挖除的材料區(qū)域來確定材料分布，基于拓撲優(yōu)化可以形成非常富有想象力的顛覆性設(shè)計方案，使得全新的設(shè)計思想和創(chuàng)新型的設(shè)計方案能夠通過增材制造得到實現(xiàn)。

拓撲優(yōu)化可以幫助確定結(jié)構(gòu)的材料分布，在進行拓撲優(yōu)化的時候可以考慮結(jié)構(gòu)靜力學或者動力學條件、多工況、多目標、多約束條件、以及工藝約束條件等，基于已知的設(shè)計空間確定剛度最大、質(zhì)量最小或者體積最小等優(yōu)化目標，通過計算材料內(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。

廣義的拓撲優(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)點為對象，節(jié)點位置是設(shè)計變量，通過節(jié)點位置的變化優(yōu)化結(jié)構(gòu)外形；形貌優(yōu)化是形狀優(yōu)化的一個特殊情況，可以生成加強筋。尺寸優(yōu)化以有限元模型單元為對象進行優(yōu)化，用于薄壁或者細長結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，其設(shè)計變量是單元的截面尺寸，如梁橫截面尺寸或薄殼厚度等。

拓撲優(yōu)化僅給出材料分布的概念設(shè)計，還需要針對拓撲優(yōu)化結(jié)果進行處理。后拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計借助于專業(yè)的模型處理技術(shù)，最大限度地保留拓撲優(yōu)化的結(jié)構(gòu)特征，考慮美學、力學甚至裝配要求，將其轉(zhuǎn)換為可用的設(shè)計方案并形成有效的CAD模型。后拓撲模型處理的關(guān)鍵步驟包括：

• -拓撲優(yōu)化結(jié)果輸出STL格式；

• -在后拓撲處理環(huán)境中進行片體模型處理，如清理、修復、光順、調(diào)整、分析等；

• -將STL模型轉(zhuǎn)換為CAD實體幾何模型；

• -基于實體模型直接建模操作，如拉伸、移動、建模等；

• -當有參數(shù)優(yōu)化需要時，對關(guān)鍵尺寸進行參數(shù)化。

應(yīng)用案例

▍2.1 振動臺動圈骨架優(yōu)化設(shè)計

電動振動臺模擬產(chǎn)品在制造、組裝運輸以及使用執(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)境振動的能力，被廣泛應(yīng)用于國防、航空、航天、通訊、電子、汽車以及家電等行業(yè)。動圈骨架是電動振動臺的關(guān)鍵部件，其動力學特性的優(yōu)劣將直接影響到振動臺系統(tǒng)的一階豎向共振頻率的高低，從而影響到振動臺工作頻率的上限和非線性失真大小，因此一階豎向共振頻率是設(shè)計振動臺的技術(shù)關(guān)鍵。某型號振動臺動圈原始設(shè)計如圖1所示。振動臺動圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標是在保證骨架質(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（如強度、Q值、橫向振動、臺面振動均勻度等）與原設(shè)計相當或優(yōu)于原設(shè)計。

圖1 振動臺動圈骨架原始結(jié)構(gòu)

針對此動圈骨架優(yōu)化策略的實現(xiàn)手段是：

-首先在ANSYS Workbench里對動圈結(jié)構(gòu)的原設(shè)計模型進行有限元分析，以獲得原設(shè)計結(jié)構(gòu)的相應(yīng)性能評價指標，并以此分析為基礎(chǔ)，利用拓撲優(yōu)化軟件GENESIS對動圈骨架原設(shè)計結(jié)構(gòu)進行拓撲形貌優(yōu)化，以獲得具有材料分布和傳力路徑的動圈骨架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計；

-然后基于拓撲優(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對參數(shù)化模型進行參數(shù)優(yōu)化，完成最終的詳細設(shè)計；

-最后，對最終的詳細設(shè)計進行有限元分析，提取相應(yīng)的性能評價指標值，并與原設(shè)計的相應(yīng)性能評價指標進行比較，最終確定優(yōu)化設(shè)計是否滿足要求。

拓撲形貌優(yōu)化的目標是動圈骨架結(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)計在相同載荷條件下的變形。其優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。拓撲形貌優(yōu)化結(jié)果可以給出后續(xù)設(shè)計的改進方向。從拓撲形貌優(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參數(shù)優(yōu)化獲得。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化和幾何模型重構(gòu)后的最終設(shè)計如圖3所示。

圖2 拓撲形貌優(yōu)化結(jié)果圖

3 振動臺動圈骨架的最終設(shè)計模型

通過對振動臺動圈的性能指標進行評估，并與原始結(jié)構(gòu)的性能指標進行對比，可以得出，通過優(yōu)化獲得的最終設(shè)計在質(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（一階豎向共振頻率）提高了11%。

圖4 振動臺動圈骨架優(yōu)性能驗證

▍2.2 載荷分散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

某集中載荷作用在載荷分散結(jié)構(gòu)中心，并通過連接結(jié)構(gòu)擴散傳遞到主結(jié)構(gòu)完成集中載荷的擴散。為了更高效地實現(xiàn)集中載荷的擴散，對該結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，要求在光敏樹脂材料用量不超過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到最大。

圖5 載荷分散結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化流程

圖6 載荷分散結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化及設(shè)計驗證

利用ANSYS Topology對該結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，獲得了材料分布，并進行了后拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計、重構(gòu)，形成初始設(shè)計方案，基于光敏樹脂的基本參數(shù)確定合理的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并基于該應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過非線性材料失效模擬對設(shè)計方案進行極限承載能力和失效模式驗證，根據(jù)仿真結(jié)果不斷地對設(shè)計方案進行迭代改進，得到的設(shè)計方案其極限承載力達到7693N，經(jīng)過試驗驗證，它的實際加載力達到了7508.9N，仿真結(jié)果的誤差僅為2%，經(jīng)過進一步的設(shè)計及迭代，最終設(shè)計方案的極限承載能力達到9191.6N。其拓撲優(yōu)化流程、拓撲優(yōu)化結(jié)果、后拓撲模型重構(gòu)以及設(shè)計驗證如圖5、6所示。

結(jié)論：拓撲優(yōu)化將會在增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)揮更大的作用

增材制造的優(yōu)勢是顯而易見的：它可以實現(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)設(shè)計、多零件融合一體化制造等。增材制造帶來了全新的設(shè)計可行性，也需要匹配全新的設(shè)計理念來發(fā)揮增材制造的優(yōu)越性，即面向增材制造的設(shè)計。面向增材制造的設(shè)計其核心技術(shù)是仿真驅(qū)動的優(yōu)化設(shè)計，而拓撲優(yōu)化是其中重要的一環(huán)。本文簡要闡述了拓撲優(yōu)化設(shè)計流程，并通過兩個實例驗證了拓撲優(yōu)化在產(chǎn)品設(shè)計中的重要作用。隨著面向增材制造的設(shè)計在增材制造產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用，拓撲優(yōu)化也會在其中發(fā)揮更大的作用。