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（DfAM）理念，為工業(yè)品提供顛覆性的設(shè)計改進空間，帶來了巨大的價值。

增材制造作為未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢，在各個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在汽車制造領(lǐng)域，增材制造技術(shù)已經(jīng)成為提高汽車設(shè)計和制造力的一項關(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)機械、航空航天、藝術(shù)品/首飾、電子產(chǎn)品/消費品等領(lǐng)域也在廣泛開展應(yīng)用。

安世亞太公司已經(jīng)成功實施了大量基于增材設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化案例，積累了豐富的經(jīng)驗，為航空航天、汽車制造、工業(yè)機械等領(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)計方案。本文以安世亞太在“上汽大眾3D打印創(chuàng)新論壇暨拓撲優(yōu)化設(shè)計大PK”比賽中獲得一等獎的作品為例，為讀者介紹DfAM的操作流程，以及DfAM帶來的巨大價值。

比賽主題：某重載鉸鏈支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計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個橫向通孔通過直徑3mm的銷子承受載荷，其位置和直徑不可變動；2）后端通過4個M6螺栓進行固定，螺栓過孔位置和直徑不可變動，螺栓過孔數(shù)量可保留1-4個；3）螺栓安裝端面所在平面的位置不可變動。?

?

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

?

加載方案

采用萬能試驗機進行加載試驗，鉸鏈用4個螺栓固定在基板（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)破壞時試驗機讀數(shù)。

材料及工藝特性

?

打印材料為光敏樹脂，設(shè)計結(jié)構(gòu)將采用SLA設(shè)備進行打印，材料及工藝特性如表1所示。

比賽要求

?

1）結(jié)構(gòu)重量不超過原始結(jié)構(gòu)重量；2）結(jié)構(gòu)在安裝和測試過程中不與試驗夾具干涉；3）盡可能提高結(jié)構(gòu)的強度。05

設(shè)計結(jié)構(gòu)只允許在圖中藍色矩形區(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)計結(jié)構(gòu)與夾具接觸區(qū)域

在進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化之前，需要對拓撲空間進行確定，先定義設(shè)計空間，從而避開不可設(shè)計區(qū)域，并且適當?shù)臄U大設(shè)計區(qū)域，這樣做的意義在于可以使拓撲工具得到充分的發(fā)揮空間，但是我們要考慮到計算資源以及時間問題，進行衡量取舍得到最有效的拓撲空間，圖4透明位置的模型是初始拓撲空間。

圖4 拓撲優(yōu)化的可設(shè)計空間

圖4中螺栓連接工裝位置在拓撲空間中做了通孔，這是因為要保證最后的拓樸結(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，對固定基板也做了簡化處理。

然后進行邊界固定和載荷施加的設(shè)置，圖5中第一個模型藍色部位是邊界固定的位置，第二個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，就會和現(xiàn)實中的受力情況出現(xiàn)差異，從而影響拓撲優(yōu)化結(jié)果的準確性。網(wǎng)格采用的是3mm四面體，拓撲優(yōu)化的目標重量設(shè)定為30%。

圖5 邊界固定與載荷施加位置

圖6中為拓撲優(yōu)化結(jié)果，這種拓撲結(jié)果很顯然并不是最終的結(jié)構(gòu)形式，我們需要對拓撲優(yōu)化結(jié)果進行重構(gòu)，并再次仿真來進行調(diào)整改進。

對于拓撲優(yōu)化的結(jié)果進行重構(gòu)往往是一件非常困難且耗費時間的工作，在這一步時我們直接采用spaceclaim模型包裹光順來進行重構(gòu)。圖7中為第一次重構(gòu)的模型。

????????????

圖6 拓撲優(yōu)化結(jié)果???????????????????????????????????????????????????? 圖7 方案一模型

對目前第一次重構(gòu)后的模型進行仿真分析，所得到的總變形和等效應(yīng)力如圖8所示，最大變形點在加載區(qū)域，從整體來看零件的應(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，可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以決定在這個部位增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，讓結(jié)構(gòu)與工裝用四個螺栓連接。

?

圖8 方案一總變形與等效應(yīng)力云圖

進行第二次重構(gòu)模型，再做進一步的仿真。第二次重構(gòu)的模型如圖9所示，可以看到對螺栓孔與載荷施加區(qū)域進行了更加細致的處理，同時也將零件進行了適當“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，對其進行局部優(yōu)化后進行進一步的仿真來做驗證。

圖10 方案二變形和等效應(yīng)力云圖

在進行第三次重構(gòu)后我們所得到的模型如圖11所示，在這次的挖孔減重當中并不是只考慮了圓形孔，同時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。

?

圖11 方案三模型

?

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。

?考慮到真實實驗工況為準靜態(tài)加載而非靜態(tài)加載，為了進一步精確的驗證結(jié)構(gòu)強度，我們采用了基于LS-DYNA的準靜態(tài)強度分析方法進行驗證，分析結(jié)果如下圖所示

圖片圖13 仿真結(jié)果與實驗對比

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)出來動態(tài)應(yīng)力值，通過LS-DYNA進行準靜態(tài)強度分析，可以預(yù)測螺栓根部首先出現(xiàn)應(yīng)力峰值47Mpa，已經(jīng)超過材料抗拉極限，明顯此處發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)失效，此時接觸反力約為3013N。如下圖紅色曲線為物理實驗測得反力曲線，峰值為3262.7N，斷裂位置如圖14與仿真分析結(jié)果一致。

?

圖14.實際斷裂位置

通過本案例我們詳細介紹了如何在DfAM設(shè)計理念的指導(dǎo)下，將一個汽車支架類結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化設(shè)計和基于仿真結(jié)果的模型重構(gòu)，實現(xiàn)了減輕結(jié)構(gòu)重量和提高承載能力的目標。該零件的最終重量為99g，比題目原始模型減重了33g，達到了較為合理的重量/承載能力平衡點，取得了本次比賽第一名的好成績。