增材制造設(shè)計(jì)（Design for Additive Manufacturing，DfAM，簡(jiǎn)稱增材設(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)增材制造過程中的零件、組件甚至系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，已然成為基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造新一代造物革命下的全新設(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)，包括創(chuàng)成式設(shè)計(jì)技術(shù)、后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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，參數(shù)優(yōu)化應(yīng)用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行設(shè)計(jì)定型或者設(shè)計(jì)改進(jìn)，如確定最優(yōu)尺寸、形狀等。

參數(shù)優(yōu)化

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)定型，利用參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化建模和模型參數(shù)驅(qū)動(dòng)分析是關(guān)鍵。參數(shù)優(yōu)化基于CAD/CAE雙向驅(qū)動(dòng)參數(shù)化CAD模型，CAE軟件驅(qū)動(dòng)CAD參數(shù)更新并通過CAE軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的性能分析，結(jié)合特定的優(yōu)化算法獲取滿足優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)方案。參數(shù)優(yōu)化技術(shù)通常包括：

（1）參數(shù)敏感性分析：通過量化指標(biāo)確定設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的重要性程度，完成重要參數(shù)識(shí)別和過濾。并應(yīng)用擬合算法建立輸入輸出響應(yīng)面，進(jìn)行快速優(yōu)化。

（2）多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化：應(yīng)用優(yōu)化算法，搜索滿足優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)變量值，實(shí)際客戶需求往往要求的優(yōu)化目標(biāo)可以是針對(duì)不同物理場(chǎng)或者學(xué)科的多個(gè)目標(biāo)，故稱多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化。

（3）穩(wěn)健性可靠性評(píng)估與優(yōu)化：評(píng)估設(shè)計(jì)參數(shù)的波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品性能的影響，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的失效概率并進(jìn)行優(yōu)化。

參數(shù)優(yōu)化是詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)定型的重要技術(shù)，為了克服多學(xué)科非線性優(yōu)化中遇到的大量設(shè)計(jì)參數(shù)的困難，參數(shù)優(yōu)化可以進(jìn)行參數(shù)敏感度分析、穩(wěn)健性評(píng)估、可靠性分析、多學(xué)科優(yōu)化、穩(wěn)健與可靠性優(yōu)化等等。

通過參數(shù)敏感性分析，在眾多參數(shù)中識(shí)別出影響性能的重要參數(shù)，過濾掉不重要的參數(shù)，建立響應(yīng)面；通過多學(xué)科優(yōu)化，輸出滿足設(shè)計(jì)需求的設(shè)計(jì)參數(shù)；通過穩(wěn)健性、可靠性分析及優(yōu)化，評(píng)估離散參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響程度，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)、定型，完成最終的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖1 參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

參數(shù)優(yōu)化的一般流程包括以下步驟：

（1）參數(shù)化建模：包括參數(shù)化CAD模型（如尺寸參數(shù)）以及參數(shù)化有限元模型（如載荷工況條件參數(shù)化）。

（2）參數(shù)敏感性分析：識(shí)別重要性參數(shù)，過濾無(wú)關(guān)參數(shù)，并建立高質(zhì)量響應(yīng)面，為后續(xù)快速優(yōu)化做準(zhǔn)備。

（3）優(yōu)化分析：定義優(yōu)化目標(biāo)、約束條件，設(shè)定優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

（4）設(shè)計(jì)驗(yàn)證：對(duì)最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證性分析。

（5）穩(wěn)健性可靠性評(píng)估：若對(duì)可靠性有要求，則進(jìn)行穩(wěn)健性可靠性分析與優(yōu)化。

圖2 參數(shù)優(yōu)化流程

應(yīng)用案例

3.1 吞沫機(jī)螺旋葉片管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

吞沫機(jī)是依據(jù)流體力學(xué)、等速螺線、空吸作用以及射流原理設(shè)計(jì)而成。當(dāng)具有一定壓強(qiáng)的氣流通過螺旋葉片管道后按特定的方向流動(dòng)并通過吞沫機(jī)的噴腔裝置時(shí)，在吞沫機(jī)周圍形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，大量擠壓在吞沫機(jī)周圍的泡沫，在負(fù)壓所形成的空吸作用下，通過各環(huán)形吸沫口被吸入該機(jī)管腔，在空氣動(dòng)力的作用下將泡沫擊碎霧化。液體沿著射流方向與罐內(nèi)原料液溶為一體，氣體則沿著排氣管道排出罐外。

針對(duì)自動(dòng)吞沫機(jī)的核心部件螺旋葉片管道作為優(yōu)化分析對(duì)象，通過流體仿真分析，獲得氣體通過螺旋葉片管道后的流場(chǎng)分布和壓力分布，并通過優(yōu)化螺旋葉片管道的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化流場(chǎng)分布和壓力分布，提高吸沫和碎沫能力。具體如下：

（1）參數(shù)化建模：對(duì)螺旋葉片管道進(jìn)行幾何建模并參數(shù)化，幾何特征的建模及參數(shù)化模型進(jìn)入到后續(xù)仿真流程中；

圖3 螺旋葉片管道的幾何結(jié)構(gòu)

（2）流場(chǎng)分析：通過流體仿真軟件ANSYS Fluent分析一定壓強(qiáng)的氣流在螺旋葉片管道內(nèi)的流動(dòng)情況，確定其流場(chǎng)分布和壓力分布；

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)：以螺旋葉片管道幾何參數(shù)為設(shè)計(jì)參數(shù)，以吸沫和碎沫效果最大化為優(yōu)化目標(biāo)，并以流體動(dòng)力學(xué)量化指標(biāo)來(lái)衡量吸沫和碎沫能力，基于optiSLang進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化：通過參數(shù)敏感性分析尋找對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束最敏感（即最重要）的設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束進(jìn)行響應(yīng)面的擬合，生成高質(zhì)量的響應(yīng)面，并基于此進(jìn)行優(yōu)化分析。

圖4 螺旋葉片管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

通過對(duì)比螺旋葉片管道優(yōu)化前后的空氣的流速和壓力分布發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后空氣進(jìn)入螺旋葉片管道的流量增加22%，而優(yōu)化后吸沫口內(nèi)外壓力差增大了5倍，同時(shí)，吸沫效果得到了顯著提高。

圖5 優(yōu)化結(jié)果

3.2 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)可以模擬產(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)劣將直接影響振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的一階豎向共振頻率的高低，從而影響振動(dòng)臺(tái)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(jì)振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)關(guān)鍵。

鋁合金振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架的工作狀態(tài)為振動(dòng)環(huán)境，其原始設(shè)計(jì)工作頻率偏低，不能達(dá)到預(yù)期，希望通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提升性能：

• 質(zhì)量不增加；

• 豎向一階共振頻率盡量提升；
• 其余性能指標(biāo)與原設(shè)計(jì)相當(dāng)于或優(yōu)于原設(shè)計(jì)（強(qiáng)度、Q值、橫向振動(dòng)、臺(tái)面振動(dòng)均勻度）。
• 
  

圖6 振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架原始結(jié)構(gòu)

基于優(yōu)化目標(biāo)，采用拓?fù)鋬?yōu)化與參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合的優(yōu)化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化：

（1）拓?fù)湫蚊矁?yōu)化：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)，骨架的腹板中央和面板和外圍環(huán)板區(qū)域應(yīng)該減??；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；

（2）參數(shù)化建模：基于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果建立參數(shù)化CAD模型；

（3）參數(shù)優(yōu)化：利用參數(shù)優(yōu)化軟件optiSLang對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后的參數(shù)化進(jìn)行敏感性分析，獲得了對(duì)響應(yīng)（即：骨架質(zhì)量和豎向一階共振頻率）影響較大的參數(shù)，而過濾掉那些對(duì)響應(yīng)影響很小的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)空間降維；然后，利用影響較大的參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，獲得即滿足骨架質(zhì)量最小，又滿足豎向一階共振頻率最大的參數(shù)組合及其模型，完成最終的詳細(xì)設(shè)計(jì)；

（4）性能驗(yàn)證：對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終模型進(jìn)行了性能驗(yàn)證并與原始結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，相對(duì)于原設(shè)計(jì)，最終優(yōu)化結(jié)果在質(zhì)量降低1.3kg的情況下頻率提升270Hz，其他性能指標(biāo)也全面提升表明動(dòng)圈骨架結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化設(shè)計(jì)全面優(yōu)于原設(shè)計(jì)。

圖7 振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)

總結(jié)

本文簡(jiǎn)要介紹了參數(shù)優(yōu)化技術(shù)以及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，并通過兩個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了參數(shù)優(yōu)化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要作用。隨著增材設(shè)計(jì)在增材制造產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用，參數(shù)優(yōu)化勢(shì)必會(huì)在其中發(fā)揮更大的作用。