安世亞太：面向3D打印-增材制造的先進設(shè)計案例與完整流程

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目  錄


1        面向增材的先進設(shè)計概述        - 1 -
2        增材先進設(shè)計流程        - 2 -
2.1        拓撲優(yōu)化        - 3 -
2.2        后拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計        - 3 -
2.3        點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化        - 4 -
2.4        設(shè)計驗證與點陣結(jié)構(gòu)分析        - 5 -
2.5        參數(shù)優(yōu)化        - 7 -
3        增材先進設(shè)計應(yīng)用實例        - 9 -
3.1        拓撲優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用實例        - 10 -
3.2        拓撲優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化聯(lián)合應(yīng)用實例        - 11 -



1       面向增材的先進設(shè)計概述

增材制造是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢，其優(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(shè)計，比如復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)、點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計、多零件融合一體化制造。

增材制造不僅僅是工藝的革命，它還帶來了設(shè)計的革命，帶來了全新的設(shè)計可行性，改變設(shè)計理念成為必然，即以增材制造為基礎(chǔ)，設(shè)計中需要踐行增材制造技術(shù)背后的增材思維。我們在面向增材的設(shè)計中，需要重新審視原有設(shè)計，關(guān)注增材制造與其它工藝的不同之處，充分發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢，這些差異會給我們帶來面向增材的設(shè)計機會。

基于增材思維的設(shè)計是一場設(shè)計的革命，它完全打開了設(shè)計枷鎖，進行面向增材制造、由產(chǎn)品性能驅(qū)動的設(shè)計，即產(chǎn)品性能驅(qū)動的生成式設(shè)計。在該設(shè)計流程中，正向設(shè)計是核心思想，仿真優(yōu)化是核心技術(shù)，以安世中德咨詢有限公司基于ANSYS系列產(chǎn)品并結(jié)合自身應(yīng)用研究和開發(fā)成果而形成的面向增材的先進設(shè)計方法為例，其基本流程為：

（1）  基于產(chǎn)品性能要求定義設(shè)計空間、設(shè)計條件和設(shè)計目標。

（2）  通過拓撲優(yōu)化技術(shù)確定產(chǎn)品概念設(shè)計外形，其核心技術(shù)是拓撲優(yōu)化；

（3）  通過后拓撲幾何處理形成初始設(shè)計，其核心技術(shù)包括模型修復(fù)、清理、光順處理、輕量化設(shè)計、點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計；

（4）  對初始設(shè)計進行性能驗證，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化技術(shù)或者幾何調(diào)整進行設(shè)計改進和定型，其核心技術(shù)是仿真分析、點陣分析、參數(shù)化、參數(shù)優(yōu)化；

（5）  物理樣機制造與測試。

                              

面向增材的正向設(shè)計流程

2       增材先進設(shè)計流程

一個完整的增材先進設(shè)計流程包括如下幾個步驟：

（1）  拓撲優(yōu)化：確定概念設(shè)計。

（2）  后拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計：包括模型光順處理、實體化、點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

（3）  設(shè)計驗證：對設(shè)計方案進行性能仿真，確定其符合設(shè)計要求。

（4）  參數(shù)優(yōu)化：在設(shè)計驗證的基礎(chǔ)上進一步進行詳細的設(shè)計優(yōu)化和定型。

基于拓撲優(yōu)化的增材設(shè)計流程

2.1    拓撲優(yōu)化

  拓撲優(yōu)化基于已知的設(shè)計空間和工況條件以及設(shè)計約束，考慮工藝約束，比如增材制造的懸垂角，確定剛度最大、質(zhì)量最小的設(shè)計方案。它通過計算材料內(nèi)最佳的傳力路徑，通過優(yōu)化單元密度確定可以挖除的材料，最終的優(yōu)化結(jié)果為密度分布：0（完全去除）~1（完全保留）。拓撲優(yōu)化革新了傳統(tǒng)的功能驅(qū)動的經(jīng)驗設(shè)計模式，實現(xiàn)了性能驅(qū)動的生成式設(shè)計，成為真正的正向設(shè)計模式。

拓撲優(yōu)化的成熟產(chǎn)品比較多，如ANSYS Topology、Genesis、SolidThinking 、Tosca等。

2.2    后拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

拓撲優(yōu)化僅僅給出材料分布的概念設(shè)計，在拓撲優(yōu)化概念設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用專業(yè)的后拓撲模型處理技術(shù)進行后拓撲模型處理，在最大限度保留拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上形成符合力學(xué)要求、美學(xué)要求以及裝配要求的最終設(shè)計模型，并根據(jù)需要對其進行參數(shù)化以利后續(xù)參數(shù)化詳細設(shè)計。

后拓撲模型處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下，根據(jù)需要選擇具體步驟。

（1）    拓撲優(yōu)化結(jié)果（保留材料區(qū)域）輸出STL格式。

（2）    片體模型處理(清理、修復(fù)、光順、逆向工程等)。

（3）    實體建模操作：點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計、實體化、模型重構(gòu)等。

（4）    模型參數(shù)化（如果后續(xù)需要進行參數(shù)優(yōu)化）。

后拓撲模型結(jié)構(gòu)設(shè)計需要可對片體模型進行處理和逆向工程操作的軟件工具，如ANSYS Spaceclaim、Materialise 3-Matic等。

                                                         

后拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計示例

1.1    點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

                               點陣結(jié)構(gòu)不僅僅是一種輕量化結(jié)構(gòu)，也是一種功能性結(jié)構(gòu)，比如減振、降噪、隔熱、防火等功能，增材制造技術(shù)使得復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用成為可能。

點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計需要專業(yè)的設(shè)計軟件來完成，例如ANSYS Spaceclaim和Materialise 3-Matic均提供了多種內(nèi)置點陣結(jié)構(gòu)，用戶可以直接選擇點陣結(jié)構(gòu)類型自動完成選定區(qū)域的點陣設(shè)計，并通過參數(shù)來控制其填充率和尺寸。

ANSYS Spaceclaim點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計

點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計與拓撲優(yōu)化可以實現(xiàn)流程上的集成，基于拓撲優(yōu)化可以實現(xiàn)點陣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，以ANSYS Topology為例，基于選定的點陣結(jié)構(gòu)類型，拓撲優(yōu)化可以對點陣結(jié)構(gòu)密度進行優(yōu)化，基于優(yōu)化的點陣結(jié)構(gòu)密度，ANSYS Spaceclaim自動生成變密度的點陣結(jié)構(gòu)。

點陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

輪轂點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2    設(shè)計驗證與點陣結(jié)構(gòu)分析

拓撲優(yōu)化的設(shè)計方案需要應(yīng)用仿真手段進行性能驗證，包括結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、流體動力學(xué)性能等，這需要拓撲優(yōu)化流程與仿真流程的集成與數(shù)據(jù)傳遞。

拓撲優(yōu)化到設(shè)計驗證的無縫集成

點陣結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和龐大的構(gòu)件數(shù)量而成為仿真的難點，尤其是點陣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)是需要解決的一個問題。

安世中德咨詢有限公司開發(fā)了有效的點陣結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)方案，其基本思想是以宏細觀結(jié)合多尺度算法為基礎(chǔ)的等效均質(zhì)化力學(xué)方法。即基于細觀分析方法（子胞分析）獲取點陣結(jié)構(gòu)宏觀均質(zhì)化力學(xué)特性，然后通過宏觀分析對點陣結(jié)構(gòu)進行等效模擬，再回到細觀，基于宏觀計算結(jié)果對點陣結(jié)構(gòu)進行局部細節(jié)模擬。

點陣結(jié)構(gòu)多尺度仿真分析關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)包括：

（1）點陣結(jié)構(gòu)胞元的確定。

（2）點陣結(jié)構(gòu)胞元的均勻化分析以及點陣結(jié)構(gòu)等效性質(zhì)（等效彈性矩陣）的確定。

（3）針對實際工況，進行整體結(jié)構(gòu)經(jīng)等效均勻化后的計算，確定整體變形和應(yīng)變。

（4）點陣結(jié)構(gòu)胞元的局部應(yīng)力分析（基于均質(zhì)化應(yīng)變確定點陣結(jié)構(gòu)的強度）。

點陣結(jié)構(gòu)多尺度分析基本流程

針對以上仿真流程安世中德咨詢有限公司開發(fā)了專門的集成于ANSYSWorkbench的點陣結(jié)構(gòu)仿真分析模塊Lattice Simulation。

點陣結(jié)構(gòu)仿真Lattice Simulation

1.3    參數(shù)優(yōu)化

拓撲優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程進入設(shè)計驗證階段后，即進入了詳細設(shè)計定型階段，而結(jié)合參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進行設(shè)計定型，是一種更有效的詳細設(shè)計手段。

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)化做準備。

（3）  優(yōu)化分析：定義優(yōu)化目標、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。

參數(shù)優(yōu)化一般流程

參數(shù)化建模是參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)，基于拓撲優(yōu)化的設(shè)計方案實現(xiàn)參數(shù)化建模要求具備無參數(shù)模型的參數(shù)化轉(zhuǎn)換工具，如ANSYSSpaceclaim，可以基于任何無參數(shù)CAD模型進行直接參數(shù)化設(shè)計，為后拓撲參數(shù)化建模提供了便利，參數(shù)化模型可直接關(guān)聯(lián)到ANSYS Mechanical環(huán)境，并與ANSYS參數(shù)優(yōu)化模塊optiSLang實現(xiàn)雙向關(guān)聯(lián)，完成參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

拓撲優(yōu)化到參數(shù)優(yōu)化

                  

ANSYS Spaceclaim直接參數(shù)化建模

優(yōu)化分析基于專業(yè)的參數(shù)優(yōu)化工具進行，目前主流的參數(shù)優(yōu)化軟件有ANSYS optiSLang、iSight、ModelCenter等。以ANSYS optiSLang為例，optiSLang可與眾多主流的CAE求解器集成進行優(yōu)化設(shè)計，并集成在ANSYS Workbench環(huán)境中，無縫調(diào)用ANSYS求解器（以及點陣分析工具）完成響應(yīng)（如重量、應(yīng)力、剛度、固有頻率等）計算，并應(yīng)用先進的優(yōu)化搜索算法尋找滿足優(yōu)化目標和優(yōu)化約束的最佳設(shè)計變量，最終獲取滿足性能要求的最佳設(shè)計方案。

ANSYS optiSLang集成ANSYS Workbench參數(shù)優(yōu)化流程示意

2       增材先進設(shè)計應(yīng)用實例
2.1    拓撲優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用實例

通訊衛(wèi)星支架結(jié)構(gòu)經(jīng)過拓撲優(yōu)化的再設(shè)計，去掉了44個鉚釘成為一體化結(jié)構(gòu)，重量減輕了35%，而剛性卻提高了40%。

機器人機械臂的增材設(shè)計流程在ANSYS平臺下完成，對其兩個機械臂部件進行拓撲優(yōu)化，流程包括拓撲優(yōu)化、結(jié)構(gòu)光順、模型驗證，并通過3D打印制造。優(yōu)化結(jié)果在最大應(yīng)力和最大變形相當?shù)那闆r下，重量減少了40%。

3.2    拓撲優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化聯(lián)合應(yīng)用實例

  鋁合金振動臺動圈骨架的工作狀態(tài)為振動環(huán)境，設(shè)計要求一階共振頻率盡可能高，同時滿足其他性能指標要求（包括強度、Q值、橫向振動、臺面均勻度等）。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，優(yōu)化目標是：

ü 質(zhì)量不增加。

ü豎向一階共振頻率盡量提升

ü 其余性能指標與原設(shè)計相當于或優(yōu)于原設(shè)計（強度、Q值、橫向振動、臺面振動均勻度）。

優(yōu)化過程分為三個步驟：

（1）  拓撲形貌優(yōu)化：以Z向剛度最大為目標搜索重量最小的材料分布。

（2）  參數(shù)化建模：基于拓撲優(yōu)化的結(jié)果建立參數(shù)化CAD模型。

（3）  參數(shù)優(yōu)化：以質(zhì)量不增加和Z向一階共振頻率最大化為目標進行優(yōu)化。

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，其他性能指標也全面提升。

本欄目由南極熊與安世亞太、安世中德合作提供。專欄以解決某類實際工程問題為突破點，以增材工藝仿真、設(shè)備仿真、增材設(shè)計等方向為線，向大家展現(xiàn)仿真+增材的實際應(yīng)用案例，以及給工業(yè)品創(chuàng)新帶來的價值。想與安世亞太官方聯(lián)系溝通，可填寫報名信息https://www.wenjuan.com/s/JfUJjeq/