創(chuàng)成式設(shè)計（Generative Design）是一種參數(shù)化建模方式，在設(shè)計的過程中，當(dāng)設(shè)計師輸入產(chǎn)品參數(shù)之后，算法將自動進(jìn)行調(diào)整判斷，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計。創(chuàng)成式設(shè)計可以幫助設(shè)計師優(yōu)化零件強(qiáng)度重量比，可以模仿自然結(jié)構(gòu)發(fā)展的方式，創(chuàng)造出最強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)，同時最大限度地減少材料的使用。

圖：創(chuàng)成式設(shè)計

      在3D打印領(lǐng)域，最為經(jīng)典的創(chuàng)成式設(shè)計作品是A320飛機(jī)開發(fā)的一個大尺寸的“仿生力學(xué)”的機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)件?？紤]到每家飛機(jī)的服役情況，這將累計帶來高達(dá)96000噸的二氧化碳排放量的減少。這一案例顯示了創(chuàng)成式與3D打印制造技術(shù)結(jié)合起來所釋放的潛力前景：更輕、更強(qiáng)、能源消耗更少的下一代產(chǎn)品時代正在到來。

圖：A320機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)件

而為了給電動汽車減重，通用汽車正在采用創(chuàng)成式設(shè)計軟件對車內(nèi)零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過座椅支架的減重揭示了3D打印對于零件潛在質(zhì)量和強(qiáng)度改進(jìn)的潛力。

圖：通用汽車的創(chuàng)成式設(shè)計座椅支架

當(dāng)然，創(chuàng)成式軟件所設(shè)計出來的零件多種多樣，每種零件的性能各不相同，具體選擇哪一種設(shè)計，這時候仿真就發(fā)揮了無需真正制造出來而對設(shè)計實現(xiàn)比較的便利性。

圖1 ：2019年TCT展會上展出的創(chuàng)成式輪轂樣品，來源安世亞太

那么接下來通過CAE仿真分析來揭示輪轂的結(jié)構(gòu)受力狀況，從而直觀的領(lǐng)略創(chuàng)成式軟件所設(shè)計的兩種不同方案的輪轂的不同之處。

帶蜂窩設(shè)計的結(jié)構(gòu)與不帶蜂窩設(shè)計的結(jié)構(gòu)

創(chuàng)成式輪轂方案1的結(jié)構(gòu)是蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，且每個輪輻都呈現(xiàn)出樹狀的設(shè)計思路。

圖2：創(chuàng)成式輪轂方案1的結(jié)構(gòu)及剖面圖和局部細(xì)節(jié)圖，來源安世亞太

而創(chuàng)成式輪轂方案2的結(jié)構(gòu)是另外一種設(shè)計思路，沒有蜂窩狀的結(jié)構(gòu)。這兩種方案的受力狀態(tài)如何，孰優(yōu)孰劣讓我們通過對其CAE仿真分析進(jìn)行驗證。

輪轂有限元模型建立

     本次分析采用四面體單元以3mm大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時為了體現(xiàn)輪轂的局部特征，在圓角等特征處對網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，見圖4和圖5所示。方案1和方案2的單元數(shù)分別為339萬和217萬，主要是由于方案1的輪轂有許多的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，單元在蜂窩狀處比較密集。本次材料選用了304L stainless steel進(jìn)行分析，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為577MPa和579MPa，其參數(shù)來自于增材制造材料庫。

圖4：創(chuàng)成式輪轂方案1的網(wǎng)格模型及局部網(wǎng)格細(xì)節(jié)，來源安世亞太

圖5：創(chuàng)成式輪轂方案2的網(wǎng)格模型及局部網(wǎng)格細(xì)節(jié)，來源安世亞太

分析依據(jù)：GB/T 5334-2005 乘用車車輪性能要求及試驗方法，采用線性靜強(qiáng)度仿真分析。

分析工況：彎曲工況和徑向工況

彎曲工況：采用車輪的最大負(fù)荷為600kg進(jìn)行計算，施加的彎矩為2062Nm，力臂為0.6m,加載力為3437N。在輪輞的內(nèi)側(cè)邊緣位置施加全約束。

徑向工況：徑向加載為13230N，在120°按余弦分布進(jìn)行加載，同時考慮輪胎充氣壓力250kpa。在輪轂的5個安裝螺栓處施加全約束。

計算結(jié)果及分析

（1）彎曲工況

在彎曲工況下，方案1和方案2輪轂的最大應(yīng)力分別為218MPa和339MPa，其屈服安全系數(shù)分別為2.65和1.70，兩種設(shè)計方案都能滿足彎曲工況下靜強(qiáng)度要求，具體可參見圖6和圖7所示。

圖6：方案1輪轂的彎曲工況下應(yīng)力云圖，來源安世亞太

圖7：方案2輪轂的彎曲工況下應(yīng)力云圖，來源安世亞太

（2）徑向工況

在徑向工況下，方案1和方案2輪轂的最大應(yīng)力分別為155MPa和112MPa，其屈服安全系數(shù)分別為3.72和5.15，兩種設(shè)計方案都能滿足徑向工況下靜強(qiáng)度要求，具體可參見圖8和圖9所示。

圖8：方案1輪轂的徑向工況下應(yīng)力云圖，來源安世亞太

圖9：方案2輪轂的徑向工況下應(yīng)力云圖，來源安世亞太

通過CAE仿真分析手段，能夠快速獲得設(shè)計人員提供的創(chuàng)成式輪轂不同方案在不同工況下的應(yīng)力情況和屈服安全系數(shù)，了解不同方案的優(yōu)缺點，對方案的選型和后期的制造都有很大的指導(dǎo)意義。