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，已然成為基于增材思維的先進設(shè)計與智能制造新一代造物革命下的全新設(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，包括創(chuàng)成式設(shè)計技術(shù)、后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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，參數(shù)優(yōu)化應(yīng)用于詳細(xì)設(shè)計階段，進行設(shè)計定型或者設(shè)計改進，如確定最優(yōu)尺寸、形狀等。

參數(shù)優(yōu)化

詳細(xì)設(shè)計階段的設(shè)計定型，利用參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進行參數(shù)化建模和模型參數(shù)驅(qū)動分析是關(guān)鍵。參數(shù)優(yōu)化基于CAD/CAE雙向驅(qū)動參數(shù)化CAD模型，CAE軟件驅(qū)動CAD參數(shù)更新并通過CAE軟件進行設(shè)計方案的性能分析，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)計參數(shù)對產(chǎn)品性能的重要性程度，完成重要參數(shù)識別和過濾。并應(yīng)用擬合算法建立輸入輸出響應(yīng)面，進行快速優(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)計變量值，實際客戶需求往往要求的優(yōu)化目標(biāo)可以是針對不同物理場或者學(xué)科的多個目標(biāo)，故稱多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化。

（3）穩(wěn)健性可靠性評估與優(yōu)化：評估設(shè)計參數(shù)的波動對產(chǎn)品性能的影響，預(yù)測產(chǎn)品的失效概率并進行優(yōu)化。

參數(shù)優(yōu)化是詳細(xì)設(shè)計階段進行設(shè)計定型的重要技術(shù)，為了克服多學(xué)科非線性優(yōu)化中遇到的大量設(shè)計參數(shù)的困難，參數(shù)優(yōu)化可以進行參數(shù)敏感度分析、穩(wěn)健性評估、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)計需求的設(shè)計參數(shù)；通過穩(wěn)健性、可靠性分析及優(yōu)化，評估離散參數(shù)對產(chǎn)品性能的影響程度，從而實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化，對產(chǎn)品設(shè)計改進、定型，完成最終的詳細(xì)設(shè)計。

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：識別重要性參數(shù)，過濾無關(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)化算法進行優(yōu)化計算。

（4）設(shè)計驗證：對最終的優(yōu)化設(shè)計進行驗證性分析。

（5）穩(wěn)健性可靠性評估：若對可靠性有要求，則進行穩(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 吞沫機螺旋葉片管道優(yōu)化設(shè)計

吞沫機是依據(jù)流體力學(xué)、等速螺線、空吸作用以及射流原理設(shè)計而成。當(dāng)具有一定壓強的氣流通過螺旋葉片管道后按特定的方向流動并通過吞沫機的噴腔裝置時，在吞沫機周圍形成一個負(fù)壓區(qū)，大量擠壓在吞沫機周圍的泡沫，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管腔，在空氣動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。

針對自動吞沫機的核心部件螺旋葉片管道作為優(yōu)化分析對象，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)來優(yōu)化流場分布和壓力分布，提高吸沫和碎沫能力。具體如下：

（1）參數(shù)化建模：對螺旋葉片管道進行幾何建模并參數(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）流場分析：通過流體仿真軟件ANSYS Fluent分析一定壓強的氣流在螺旋葉片管道內(nèi)的流動情況，確定其流場分布和壓力分布；

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

圖4 螺旋葉片管道的優(yōu)化設(shè)計流程

通過對比螺旋葉片管道優(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，吸沫效果得到了顯著提高。

圖5 優(yōu)化結(jié)果

3.2 振動臺動圈骨架優(yōu)化設(shè)計

電動振動臺可以模擬產(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(xué)特性的優(yōu)劣將直接影響振動臺系統(tǒng)的一階豎向共振頻率的高低，從而影響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。

鋁合金振動臺動圈骨架的工作狀態(tài)為振動環(huán)境，其原始設(shè)計工作頻率偏低，不能達到預(yù)期，希望通過優(yōu)化設(shè)計來提升性能：

• 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)計相當(dāng)于或優(yōu)于原設(shè)計（強度、Q值、橫向振動、臺面振動均勻度）。
• 
  

圖6 振動臺動圈骨架原始結(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)對其進行優(yōu)化：

（1）拓?fù)湫蚊矁?yōu)化：利用拓?fù)鋬?yōu)化軟件GENESIS對動圈骨架原設(shè)計結(jié)構(gòu)進行拓?fù)湫蚊矁?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，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對拓?fù)鋬?yōu)化后的參數(shù)化進行敏感性分析，獲得了對響應(yīng)（即：骨架質(zhì)量和豎向一階共振頻率）影響較大的參數(shù)，而過濾掉那些對響應(yīng)影響很小的參數(shù)，從而實現(xiàn)參數(shù)空間降維；然后，利用影響較大的參數(shù)進行多目標(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；

（4）性能驗證：對優(yōu)化設(shè)計的最終模型進行了性能驗證并與原始結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)進行對比，相對于原設(shè)計，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)也全面提升表明動圈骨架結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化設(shè)計全面優(yōu)于原設(shè)計。

圖7 振動臺動圈骨架優(yōu)化設(shè)計

總結(jié)

本文簡要介紹了參數(shù)優(yōu)化技術(shù)以及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計流程，并通過兩個實例驗證了參數(shù)優(yōu)化在產(chǎn)品設(shè)計中的重要作用。隨著增材設(shè)計在增材制造產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用，參數(shù)優(yōu)化勢必會在其中發(fā)揮更大的作用。