增材制造是基于三維模型數(shù)據(jù)的材料（分層）堆積成型的數(shù)字制造技術(shù)，相比傳統(tǒng)的減材制造和等材制造，增材制造技術(shù)在很大程度上實(shí)現(xiàn)了自由制造，必將引領(lǐng)制造業(yè)發(fā)展出全新的基于增材制造工藝的設(shè)計(jì)（DfAM）理念，為工業(yè)品提供顛覆性的設(shè)計(jì)改進(jìn)空間，帶來(lái)了巨大的價(jià)值。

增材制造作為未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，增材制造技術(shù)已經(jīng)成為提高汽車(chē)設(shè)計(jì)和制造力的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，解決隨形內(nèi)流道、復(fù)雜薄壁、零件減重、復(fù)雜內(nèi)腔、多部件集成、大型復(fù)雜構(gòu)件等技術(shù)難題；在汽車(chē)模具領(lǐng)域，增材制造的隨形冷卻系統(tǒng)模具壽命提高近2倍，型腔內(nèi)溫度降低近45%，作業(yè)周期縮短了25%。此外增材制造技術(shù)在工業(yè)機(jī)械、航空航天、藝術(shù)品/首飾、電子產(chǎn)品/消費(fèi)品等領(lǐng)域也在廣泛開(kāi)展應(yīng)用。

安世亞太公司已經(jīng)成功實(shí)施了大量基于增材設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化案例，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為航空航天、汽車(chē)制造、工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域提供性能更優(yōu)、質(zhì)量更輕、效率更高的增材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。本文以安世亞太在“上汽大眾3D打印創(chuàng)新論壇暨拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)大PK”比賽中獲得一等獎(jiǎng)的作品為例，為讀者介紹DfAM的操作流程，以及DfAM帶來(lái)的巨大價(jià)值。

比賽主題：某重載鉸鏈支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)01初始條件選取某重載鉸鏈初始結(jié)構(gòu)如圖1所示。1）前端1個(gè)橫向通孔通過(guò)直徑3mm的銷(xiāo)子承受載荷，其位置和直徑不可變動(dòng)；2）后端通過(guò)4個(gè)M6螺栓進(jìn)行固定，螺栓過(guò)孔位置和直徑不可變動(dòng)，螺栓過(guò)孔數(shù)量可保留1-4個(gè)；3）螺栓安裝端面所在平面的位置不可變動(dòng)。?

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圖1 原始結(jié)構(gòu)????????????????????? ????????????????????????????????????????????? 圖2 加載方案

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加載方案

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，鉸鏈用4個(gè)螺栓固定在基板（灰色部分）上，前端夾具施加豎直方向載荷，加載速度5mm/min，加載直到結(jié)構(gòu)破壞為止，記錄結(jié)構(gòu)破壞時(shí)試驗(yàn)機(jī)讀數(shù)。

材料及工藝特性

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打印材料為光敏樹(shù)脂，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將采用SLA設(shè)備進(jìn)行打印，材料及工藝特性如表1所示。

比賽要求

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1）結(jié)構(gòu)重量不超過(guò)原始結(jié)構(gòu)重量；2）結(jié)構(gòu)在安裝和測(cè)試過(guò)程中不與試驗(yàn)夾具干涉；3）盡可能提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。05

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)只允許在圖中藍(lán)色矩形區(qū)域和夾具接觸，其余區(qū)域不允許接觸，如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與夾具接觸區(qū)域

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化之前，需要對(duì)拓?fù)淇臻g進(jìn)行確定，先定義設(shè)計(jì)空間，從而避開(kāi)不可設(shè)計(jì)區(qū)域，并且適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大設(shè)計(jì)區(qū)域，這樣做的意義在于可以使拓?fù)涔ぞ叩玫匠浞值陌l(fā)揮空間，但是我們要考慮到計(jì)算資源以及時(shí)間問(wèn)題，進(jìn)行衡量取舍得到最有效的拓?fù)淇臻g，圖4透明位置的模型是初始拓?fù)淇臻g。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化的可設(shè)計(jì)空間

圖4中螺栓連接工裝位置在拓?fù)淇臻g中做了通孔，這是因?yàn)橐ＷC最后的拓樸結(jié)果不與螺栓連接的工裝位置發(fā)生干涉?？紤]到零件的接觸空間，對(duì)固定基板也做了簡(jiǎn)化處理。

然后進(jìn)行邊界固定和載荷施加的設(shè)置，圖5中第一個(gè)模型藍(lán)色部位是邊界固定的位置，第二個(gè)模型的紅色位置是施加載荷的位置，在施加載荷的孔中只選擇了下半面來(lái)施加沿X軸向下的力5000N。如果將孔中的上下表面全部施加載荷，就會(huì)和現(xiàn)實(shí)中的受力情況出現(xiàn)差異，從而影響拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格采用的是3mm四面體，拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)重量設(shè)定為30%。

圖5 邊界固定與載荷施加位置

圖6中為拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，這種拓?fù)浣Y(jié)果很顯然并不是最終的結(jié)構(gòu)形式，我們需要對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行重構(gòu)，并再次仿真來(lái)進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。

對(duì)于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果進(jìn)行重構(gòu)往往是一件非常困難且耗費(fèi)時(shí)間的工作，在這一步時(shí)我們直接采用spaceclaim模型包裹光順來(lái)進(jìn)行重構(gòu)。圖7中為第一次重構(gòu)的模型。

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圖6 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果???????????????????????????????????????????????????? 圖7 方案一模型

對(duì)目前第一次重構(gòu)后的模型進(jìn)行仿真分析，所得到的總變形和等效應(yīng)力如圖8所示，最大變形點(diǎn)在加載區(qū)域，從整體來(lái)看零件的應(yīng)力分布不太均勻，最大應(yīng)力集中在螺栓連接處，部件中心處仍然存在大片應(yīng)力較小的區(qū)域，說(shuō)明還有許多減重空間。在應(yīng)力云圖中紅色箭頭指出的位置，可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以決定在這個(gè)部位增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，讓結(jié)構(gòu)與工裝用四個(gè)螺栓連接。

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圖8 方案一總變形與等效應(yīng)力云圖

進(jìn)行第二次重構(gòu)模型，再做進(jìn)一步的仿真。第二次重構(gòu)的模型如圖9所示，可以看到對(duì)螺栓孔與載荷施加區(qū)域進(jìn)行了更加細(xì)致的處理，同時(shí)也將零件進(jìn)行了適當(dāng)“瘦身”。

圖9 方案二模型

方案二模型的變形云圖和等效應(yīng)力云圖如圖10所示，從云圖來(lái)看變形較小但應(yīng)力分布依然不均勻，尤其在右圖等效應(yīng)力云圖中箭頭指向的紅圈位置，應(yīng)力較小，還有一定的減重空間，對(duì)其進(jìn)行局部?jī)?yōu)化后進(jìn)行進(jìn)一步的仿真來(lái)做驗(yàn)證。

圖10 方案二變形和等效應(yīng)力云圖

在進(jìn)行第三次重構(gòu)后我們所得到的模型如圖11所示，在這次的挖孔減重當(dāng)中并不是只考慮了圓形孔，同時(shí)也考慮到了更適合增材制造的水滴形孔，但是在仿真中的圓形孔應(yīng)力分布更合理，總變形更小。

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圖11 方案三模型

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圖12 方案三變形和等效應(yīng)力云圖

圖12中為重構(gòu)后方案三變形和等效應(yīng)力云圖，根據(jù)結(jié)果對(duì)比之前兩版方案可以看出總變形更小，應(yīng)力分布更合理，部件主承力區(qū)應(yīng)力區(qū)間均在20Mpa-50Mpa間，其中應(yīng)力集中處在螺栓孔根部出現(xiàn)，預(yù)判斷裂位置為此位置。

?考慮到真實(shí)實(shí)驗(yàn)工況為準(zhǔn)靜態(tài)加載而非靜態(tài)加載，為了進(jìn)一步精確的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，我們采用了基于LS-DYNA的準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度分析方法進(jìn)行驗(yàn)證，分析結(jié)果如下圖所示

圖片圖13 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中位置是螺栓根部，與之前靜力學(xué)仿真結(jié)果相吻合，但是靜力學(xué)結(jié)果未能表現(xiàn)出來(lái)動(dòng)態(tài)應(yīng)力值，通過(guò)LS-DYNA進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度分析，可以預(yù)測(cè)螺栓根部首先出現(xiàn)應(yīng)力峰值47Mpa，已經(jīng)超過(guò)材料抗拉極限，明顯此處發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)失效，此時(shí)接觸反力約為3013N。如下圖紅色曲線為物理實(shí)驗(yàn)測(cè)得反力曲線，峰值為3262.7N，斷裂位置如圖14與仿真分析結(jié)果一致。

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圖14.實(shí)際斷裂位置

通過(guò)本案例我們?cè)敿?xì)介紹了如何在DfAM設(shè)計(jì)理念的指導(dǎo)下，將一個(gè)汽車(chē)支架類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和基于仿真結(jié)果的模型重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了減輕結(jié)構(gòu)重量和提高承載能力的目標(biāo)。該零件的最終重量為99g，比題目原始模型減重了33g，達(dá)到了較為合理的重量/承載能力平衡點(diǎn)，取得了本次比賽第一名的好成績(jī)。