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

增材設計的核心技術是仿真驅(qū)動的優(yōu)化設計技術，包括創(chuàng)成式設計技術、拓撲優(yōu)化設計技術、點陣設計技術、參數(shù)優(yōu)化技術、仿真分析技術等。其中，拓撲優(yōu)化應用于產(chǎn)品的概念設計階段，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)真正的正向設計模式

拓撲優(yōu)化設計屬于概念設計，基于減材設計理念，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計方案，使得全新的設計思想和創(chuàng)新型的設計方案能夠通過增材制造得到實現(xiàn)。

拓撲優(yōu)化可以幫助確定結構的材料分布，在進行拓撲優(yōu)化的時候可以考慮結構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，從而獲得結構設定區(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)驗設計模式，實現(xiàn)了性能驅(qū)動的生成式設計，成為真正的正向設計模式。

廣義的拓撲優(yōu)化還包括其它結構優(yōu)化技術：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)點位置是設計變量，通過節(jié)點位置的變化優(yōu)化結構外形；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構的優(yōu)化，其設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計，還需要針對拓撲優(yōu)化結果進行處理。后拓撲結構設計借助于專業(yè)的模型處理技術，最大限度地保留拓撲優(yōu)化的結構特征，考慮美學、力學甚至裝配要求，將其轉(zhuǎn)換為可用的設計方案并形成有效的CAD模型。后拓撲模型處理的關鍵步驟包括：

• -拓撲優(yōu)化結果輸出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，對關鍵尺寸進行參數(shù)化。

應用案例

▍2.1 振動臺動圈骨架優(yōu)化設計

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計振動臺的技術關鍵。某型號振動臺動圈原始設計如圖1所示。振動臺動圈結構的優(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）與原設計相當或優(yōu)于原設計。

圖1 振動臺動圈骨架原始結構

針對此動圈骨架優(yōu)化策略的實現(xiàn)手段是：

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

-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，完成最終的詳細設計；

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

拓撲形貌優(yōu)化的目標是動圈骨架結構的豎向剛度最大，質(zhì)量最小，約束是變形不大于原設計在相同載荷條件下的變形。其優(yōu)化結果如圖2所示。拓撲形貌優(yōu)化結果可以給出后續(xù)設計的改進方向。從拓撲形貌優(yōu)化的結果可以看出：骨架的腹板中央和面板和外圍環(huán)板區(qū)域應該減??；腹板外側和骨架底部環(huán)板區(qū)域應該加厚。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)化和幾何模型重構后的最終設計如圖3所示。

圖2 拓撲形貌優(yōu)化結果圖

3 振動臺動圈骨架的最終設計模型

通過對振動臺動圈的性能指標進行評估，并與原始結構的性能指標進行對比，可以得出，通過優(yōu)化獲得的最終設計在質(zhì)量減小的情況下，其性能全面優(yōu)于原始結構，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 載荷分散結構優(yōu)化設計

某集中載荷作用在載荷分散結構中心，并通過連接結構擴散傳遞到主結構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，對該結構進行設計優(yōu)化，要求在光敏樹脂材料用量不超過30ml的基礎上，使得該結構的集中載荷極限承載能力達到最大。

圖5 載荷分散結構的拓撲優(yōu)化流程

圖6 載荷分散結構的拓撲優(yōu)化及設計驗證

利用ANSYS Topology對該結構進行拓撲優(yōu)化，獲得了材料分布，并進行了后拓撲結構設計、重構，形成初始設計方案，基于光敏樹脂的基本參數(shù)確定合理的應力應變曲線，并基于該應力應變曲線，通過非線性材料失效模擬對設計方案進行極限承載能力和失效模式驗證，根據(jù)仿真結果不斷地對設計方案進行迭代改進，得到的設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，仿真結果的誤差僅為2%，經(jīng)過進一步的設計及迭代，最終設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)化結果、后拓撲模型重構以及設計驗證如圖5、6所示。

結論：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計，比如復雜輕量化結構、點陣結構設計、多零件融合一體化制造等。增材制造帶來了全新的設計可行性，也需要匹配全新的設計理念來發(fā)揮增材制造的優(yōu)越性，即面向增材制造的設計。面向增材制造的設計其核心技術是仿真驅(qū)動的優(yōu)化設計，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)化設計流程，并通過兩個實例驗證了拓撲優(yōu)化在產(chǎn)品設計中的重要作用。隨著面向增材制造的設計在增材制造產(chǎn)業(yè)的廣泛應用，拓撲優(yōu)化也會在其中發(fā)揮更大的作用。