拓撲優(yōu)化（Topology Optimization）是一種根據(jù)給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。

設(shè)計驗證 – 基于高端CAE仿真軟件進行產(chǎn)品性能的評估，CAE技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計提供了保障。拓撲優(yōu)化與用于設(shè)計驗證的仿真軟件的結(jié)合衍生出了新層次的設(shè)計自由度，設(shè)計師可以輕松地通過拓撲優(yōu)化找到材料布局，再考慮更多的設(shè)計要求，包括應(yīng)力、屈服強度等通過晶格進行更精細程度的材料分配，達到設(shè)計的最優(yōu)化。

    3D打印適合用來制造非常復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計，尤其是那些通過傳統(tǒng)制造難以或者無法加工出來的設(shè)計。

     總體來說，拓撲優(yōu)化技術(shù)尋求獲得產(chǎn)品設(shè)計最佳材料分布的“物善其用”，設(shè)計驗證基于產(chǎn)品性能出發(fā)為拓撲優(yōu)化結(jié)果“保駕護航”?！巴負鋬?yōu)化、用于設(shè)計驗證的仿真、3D打印”三者的聯(lián)袂，實現(xiàn)以“輕量化、結(jié)構(gòu)一體化、高端復(fù)雜化”為導(dǎo)向的產(chǎn)品再設(shè)計，是面向增材制造的先進設(shè)計與制造的“三個火槍手”。此外，在3D打印領(lǐng)域，關(guān)于工藝控制方面的仿真也尤為重要，隨著3D打印產(chǎn)業(yè)化的深入，仿真貫穿了設(shè)計到制造的方方面面。

     拓撲優(yōu)化，設(shè)計驗證、3D打印，這三者的結(jié)合釋放了設(shè)計的自由度，拓撲優(yōu)化與仿真的結(jié)合將最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀與最優(yōu)的產(chǎn)品性能相結(jié)合起來設(shè)計，這樣的設(shè)計通過3D打印技術(shù)“輸出”出來。三者相互配合，相互促進，相得益彰。

本期，谷.專欄來與谷友一同感受數(shù)字制造界的產(chǎn)品再設(shè)計。通過安世亞太分享的案例講述“三個火槍手”如何進行材料拓撲最優(yōu)布局、晶格點陣精細化設(shè)計、產(chǎn)品輕量化與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計、刻面光順化與重構(gòu)設(shè)計、仿真設(shè)計驗證等多種內(nèi)容。

起點-拓撲優(yōu)化技術(shù)

安世中德做為安世亞太與德國CADFEM合資公司，將面向增材制造的先進設(shè)計與制造構(gòu)架分為四個環(huán)節(jié)：

(1) 先進設(shè)計
(2) 工藝設(shè)計與優(yōu)化
(3) 增材制造設(shè)備
(4) 質(zhì)量檢測

其中“先進設(shè)計”作為“面向增材先進設(shè)計與制造”第一環(huán)節(jié)涉及三個步驟：

(1) 起點-拓撲優(yōu)化技術(shù)
(2) 過程-設(shè)計與模型處理光順化與重構(gòu)
(3) 驗證-仿真計算與評估

   拓撲優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用能建立在靜力學(xué)、屈曲、高級非線性、模態(tài)、諧響應(yīng)、隨機振動等多種仿真計算基礎(chǔ)上,多款仿真軟件均有能力不等的拓撲優(yōu)化分析模塊，其中ANSYS Topology Optimization和ANSYS Genesis均有良好的拓撲優(yōu)化能力表現(xiàn)。

拓撲優(yōu)化應(yīng)用一般能夠分為如下幾個過程：

(1) 指定優(yōu)化和不優(yōu)化區(qū)域
(2) 響應(yīng)約束定義（質(zhì)量、體積、全局和局部應(yīng)力、位移、反力、固有頻率、屈曲載荷因子、隨機響應(yīng)、用戶自定義響應(yīng)、傳遞函數(shù)等）
(3) 加工約束定義（最小構(gòu)件尺寸、最大構(gòu)件尺寸、拔出方向、擠出方向、對稱、循環(huán)）
(4) 優(yōu)化目標定義（質(zhì)量分數(shù)、慣性矩、加速度、位移、速度、應(yīng)變能、自然頻率、屈曲載荷因子、隨機響應(yīng)、用戶自定義、響應(yīng)傳遞函數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變等 ）
(5) 求解與結(jié)果提取

參考案例

簡易輪轂結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計案例

- 輪轂輪輻循環(huán)對稱約束
- 5幅輪轂優(yōu)化設(shè)計區(qū)域比對
- 拔模與非拔模方向

簡易無人機骨架拓撲優(yōu)化設(shè)計案例

- 兩方向平面對稱約束控制
- 考慮成員尺寸控制

圖片來源：安世亞太

夾取機械手連臂結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計案例

- 夾取機械手連臂結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計采用多螺栓組裝配連接
- 考慮多件融合思想采用增材制造手段將多連接零件組合設(shè)計
- 減少裝配工序提高裝配環(huán)節(jié)干擾因素
- 滿足產(chǎn)品輕量化設(shè)計

圖片來源：安世亞太

平板搬運機械連臂結(jié)構(gòu)拓撲設(shè)計案例

- 平板搬運機械連臂結(jié)構(gòu)原始模型采用多組螺栓連接、施焊工藝
- 原結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計驗證不滿足力學(xué)性能指標
- 考慮多件融合思想結(jié)合增材制造技術(shù)
- 迭代修改原始結(jié)構(gòu)設(shè)計空間，修正產(chǎn)品驗證失敗結(jié)構(gòu)，輕量化且依然有能力提高材料利用率

過程-設(shè)計與模型處理

設(shè)計與模型處理階段過程僅僅圍繞拓撲優(yōu)化結(jié)果進行，是拓撲優(yōu)化設(shè)計“起點”的延續(xù)，可以考慮如下兩個方面因素：

- 如何更好考慮刻面化結(jié)構(gòu)的光順處理過程；
- 如何更好考慮結(jié)構(gòu)幾何重構(gòu)過程滿足特殊裝配工藝、安裝連接的需求。

SpaceClaim Direct Modeler通過“檢查刻面、自動修復(fù)、收縮纏繞、柔和”等功能，能繼拓撲優(yōu)化之后將刻面片粗劣結(jié)構(gòu)進行高度光順化處理，光順化的結(jié)構(gòu)擁有符合力學(xué)特征和流暢的幾何過渡轉(zhuǎn)角，STL文件可以直接送入3D增材打印機進行打印。

同時SpaceClaim Direct Modeler快速建模技術(shù)、修復(fù)技術(shù)、高級蒙皮功能技術(shù)能根據(jù)光順后的外觀進行建模重構(gòu)造型設(shè)計，最大化保留拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)形貌并加入設(shè)計師對產(chǎn)品特殊細節(jié)思考以滿足復(fù)雜裝配結(jié)構(gòu)安裝定位配合功能等需求。

參考案例

輪轂結(jié)構(gòu)的光順化處理與結(jié)構(gòu)重構(gòu)設(shè)計案例

- 光順化設(shè)計
- 剖面蒙皮技術(shù)
- 曲線抽取技術(shù)
- 結(jié)構(gòu)重構(gòu)

圖片來源：安世亞太

異形齒輪結(jié)構(gòu)點陣設(shè)計案例

- 基于Lattice拓撲優(yōu)化進行輕量化設(shè)計
- 重構(gòu)模型考慮齒輪的安裝、定位、公差配合
- 增材制造工藝完成產(chǎn)品打印，輔以機械加工

圖片來源：安世亞太

骨骼結(jié)構(gòu)點陣設(shè)計案例

- 基于Lattice點陣填充
- 滿足醫(yī)學(xué)中相關(guān)骨結(jié)構(gòu)的分析研究需求

保障-設(shè)計驗證評估

設(shè)計驗證評估是“先進設(shè)計”的護航員，是拓撲優(yōu)化技術(shù)運用、結(jié)構(gòu)設(shè)計與重構(gòu)合理性的最終保障。

ANSYS Mechanical驗證系統(tǒng)搭建能將拓撲優(yōu)化后的光順化重構(gòu)模型直接引入驗證系統(tǒng)，驗證求解模塊完全繼承初始模型加載的邊界條件快速建立驗證計算，仿真工程師也可以基于此搭建更高級的仿真驗證分析。

圖片：驗證系統(tǒng)搭建，來源安世亞太

參考案例

掛架結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證案例

- 原結(jié)構(gòu)采用拼焊設(shè)計，局部位置不滿足驗證計算需求
- 修改原結(jié)構(gòu)設(shè)計空間考慮多件融合增材制造設(shè)計
- 基于多工況計算獲得拓撲形貌
- 直接建模法重構(gòu)幾何進行多工況驗證產(chǎn)品強度

圖片來源：安世亞太

夾取機械手連臂結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證案例

- 原機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計采用多螺栓連接
- 板件加工方便但耗材嚴重
- 拓撲優(yōu)化考慮多件融合設(shè)計
- 提高裝配可靠性且輕量化效益顯著
- 基于刻面光順化幾何結(jié)構(gòu)進行多工況分析直接驗證設(shè)計的合理性

小結(jié)

    產(chǎn)品概念設(shè)計初期，憑借想象、經(jīng)驗對其進行研發(fā)設(shè)計往往不夠，充分利用“拓撲優(yōu)化技術(shù)”結(jié)合豐富“產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗”，更有能力設(shè)計出滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)技術(shù)方案、工藝要求、質(zhì)輕、質(zhì)優(yōu)等特質(zhì)的卓越產(chǎn)品。

     拓撲優(yōu)化技術(shù)多見于輕量化、多件融合等設(shè)計運用，但長期制約于最優(yōu)拓撲形貌高度復(fù)雜演化、設(shè)計空間多變而難以用傳統(tǒng)制造方法加工。增材制造技術(shù)是一種通過材料層層累加的方式實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)制造的方法，增材制造技術(shù)的成熟發(fā)展為復(fù)雜產(chǎn)品、異形設(shè)計制造實現(xiàn)了可能。

    拓撲優(yōu)化技術(shù)尋求一種能夠根據(jù)給定負載情況、約束條件和性能指標，在指定區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，將區(qū)域離散成足夠多的子區(qū)域，借助FEM分析技術(shù)按照指定優(yōu)化策略、約束準則、目標等從這些子區(qū)域中刪除一定數(shù)量單元，用保留下來的單元描述結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲，發(fā)揮系統(tǒng)材料最大利用率。

   拓撲優(yōu)化技術(shù)打開了產(chǎn)品再設(shè)計領(lǐng)域前所未有的天地，增材制造技術(shù)的核心價值也體現(xiàn)在以拓撲優(yōu)化、點陣設(shè)計、創(chuàng)成式設(shè)計引領(lǐng)的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計之中。這些因素的結(jié)合使得產(chǎn)品輕量化、結(jié)構(gòu)一體化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工成為可能。

     期待安世中德面向增材的先進設(shè)計與制造解決能力以及高端仿真技術(shù)解決能力與開發(fā)能力，助力更多企業(yè)產(chǎn)品“設(shè)計優(yōu)化升級、復(fù)雜工程項目研發(fā)攻克、應(yīng)用開發(fā)自主化”等進程的實現(xiàn)。