拓?fù)鋬?yōu)化(Topology Optimization)是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo),在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)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(jì)驗(yàn)證 - 基于高端CAE仿真軟件進(jìn)行產(chǎn)品性能的評(píng)估,CAE技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了保障。拓?fù)鋬?yōu)化與用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證的仿真軟件的結(jié)合衍生出了新層次的設(shè)計(jì)自由度,設(shè)計(jì)師可以輕松地通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化找到材料布局,再考慮更多的設(shè)計(jì)要求,包括應(yīng)力、屈服強(qiáng)度等通過(guò)晶格進(jìn)行更精細(xì)程度的材料分配,達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。
3D打印適合用來(lái)制造非常復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì),尤其是那些通過(guò)傳統(tǒng)制造難以或者無(wú)法加工出來(lái)的設(shè)計(jì)。
總體來(lái)說(shuō),拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)尋求獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳材料分布的“物善其用”,設(shè)計(jì)驗(yàn)證基于產(chǎn)品性能出發(fā)為拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果“保駕護(hù)航”。“拓?fù)鋬?yōu)化、用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證的仿真、3D打印”三者的聯(lián)袂,實(shí)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(jì),是面向增材制造的先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造的“三個(gè)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(jì)到制造的方方面面。
拓?fù)鋬?yōu)化,設(shè)計(jì)驗(yàn)證、3D打印,這三者的結(jié)合釋放了設(shè)計(jì)的自由度,拓?fù)鋬?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(lái)設(shè)計(jì),這樣的設(shè)計(jì)通過(guò)3D打印技術(shù)“輸出”出來(lái)。三者相互配合,相互促進(jìn),相得益彰。
本期,增材專(zhuān)欄與大家一同感受數(shù)字制造界的產(chǎn)品再設(shè)計(jì)。通過(guò)安世亞太分享的案例講述“三個(gè)火槍手”如何進(jìn)行材料拓?fù)渥顑?yōu)布局、晶格點(diǎn)陣精細(xì)化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品輕量化與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)、刻面光順化與重構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證等多種內(nèi)容。
起點(diǎn)-拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)
安世中德作為安世亞太與德國(guó)CADFEM合資公司,將面向增材制造的先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造構(gòu)架分為四個(gè)環(huán)節(jié):
(1) 先進(jìn)設(shè)計(jì)
(2) 工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化
(3) 增材制造設(shè)備
(4) 質(zhì)量檢測(cè)
其中“先進(jìn)設(shè)計(jì)”作為“面向增材先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造”第一環(huán)節(jié)涉及三個(gè)步驟:
(1) 起點(diǎn)-拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)
(2) 過(guò)程-設(shè)計(jì)與模型處理光順化與重構(gòu)
(3) 驗(yàn)證-仿真計(jì)算與評(píng)估
拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用能建立在靜力學(xué)、屈曲、高級(jí)非線性、模態(tài)、諧響應(yīng)、隨機(jī)振動(dòng)等多種仿真計(jì)算基礎(chǔ)上,多款仿真軟件均有能力不等的拓?fù)鋬?yōu)化分析模塊,其中ANSYS Topology Optimization和ANSYS Genesis均有良好的拓?fù)鋬?yōu)化能力表現(xiàn)。
拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用一般能夠分為如下幾個(gè)過(guò)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(jī)響應(yīng)、用戶(hù)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(duì)稱(chēng)、循環(huán))
(4) 優(yōu)化目標(biāo)定義(質(zhì)量分?jǐn)?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(jī)響應(yīng)、用戶(hù)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(jiǎn)易輪轂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)案例
- 輪轂輪輻循環(huán)對(duì)稱(chēng)約束
- 5幅輪轂優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域比對(duì)
- 拔模與非拔模方向
圖片來(lái)源:安世亞太
簡(jiǎn)易無(wú)人機(jī)骨架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)案例
- 兩方向平面對(duì)稱(chēng)約束控制
- 考慮成員尺寸控制
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夾取機(jī)械手連臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)案例
- 夾取機(jī)械手連臂結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)
- 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(jì)
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平板搬運(yùn)機(jī)械連臂結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)案例
- 平板搬運(yùn)機(jī)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(jì)驗(yàn)證不滿足力學(xué)性能指標(biāo)
- 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(jì)空間,修正產(chǎn)品驗(yàn)證失敗結(jié)構(gòu),輕量化且依然有能力提高材料利用率
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過(guò)程-設(shè)計(jì)與模型處理
設(shè)計(jì)與模型處理階段過(guò)程僅僅圍繞拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行,是拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)“起點(diǎn)”的延續(xù),可以考慮如下兩個(gè)方面因素:
- 如何更好考慮刻面化結(jié)構(gòu)的光順處理過(guò)程;
- 如何更好考慮結(jié)構(gòu)幾何重構(gòu)過(guò)程滿足特殊裝配工藝、安裝連接的需求。
SpaceClaim Direct Modeler通過(guò)“檢查刻面、自動(dòng)修復(fù)、收縮纏繞、柔和”等功能,能繼拓?fù)鋬?yōu)化之后將刻面片粗劣結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guò)渡轉(zhuǎn)角,STL文件可以直接送入3D增材打印機(jī)進(jìn)行打印。
同時(shí)SpaceClaim Direct Modeler快速建模技術(shù)、修復(fù)技術(shù)、高級(jí)蒙皮功能技術(shù)能根據(jù)光順后的外觀進(jìn)行建模重構(gòu)造型設(shè)計(jì),最大化保留拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)形貌并加入設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品特殊細(xì)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(jì)案例
- 光順化設(shè)計(jì)
- 剖面蒙皮技術(shù)
- 曲線抽取技術(shù)
- 結(jié)構(gòu)重構(gòu)
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異形齒輪結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣設(shè)計(jì)案例
- 基于Lattice拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)
- 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(jī)械加工
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骨骼結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣設(shè)計(jì)案例
- 基于Lattice點(diǎn)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
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保障-設(shè)計(jì)驗(yàn)證評(píng)估
設(shè)計(jì)驗(yàn)證評(píng)估是“先進(jìn)設(shè)計(jì)”的護(hù)航員,是拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)運(yùn)用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與重構(gòu)合理性的最終保障。
ANSYS Mechanical驗(yàn)證系統(tǒng)搭建能將拓?fù)鋬?yōu)化后的光順化重構(gòu)模型直接引入驗(yàn)證系統(tǒng),驗(yàn)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(yàn)證計(jì)算,仿真工程師也可以基于此搭建更高級(jí)的仿真驗(yàn)證分析。
圖片:驗(yàn)證系統(tǒng)搭建,來(lái)源安世亞太
參考案例
掛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證案例
- 原結(jié)構(gòu)采用拼焊設(shè)計(jì),局部位置不滿足驗(yàn)證計(jì)算需求
- 修改原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間考慮多件融合增材制造設(shè)計(jì)
- 基于多工況計(jì)算獲得拓?fù)湫蚊?
- 直接建模法重構(gòu)幾何進(jìn)行多工況驗(yàn)證產(chǎn)品強(qiáng)度
圖片來(lái)源:安世亞太
夾取機(jī)械手連臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證案例
- 原機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用多螺栓連接
- 板件加工方便但耗材嚴(yán)重
- 拓?fù)鋬?yōu)化考慮多件融合設(shè)計(jì)
- 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(jìn)行多工況分析直接驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性
圖片來(lái)源:安世亞太
小結(jié)
產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)初期,憑借想象、經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)往往不夠,充分利用“拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)”結(jié)合豐富“產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)”,更有能力設(shè)計(jì)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?fù)鋬?yōu)化技術(shù)多見(jiàn)于輕量化、多件融合等設(shè)計(jì)運(yùn)用,但長(zhǎng)期制約于最優(yōu)拓?fù)湫蚊哺叨葟?fù)雜演化、設(shè)計(jì)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(guò)材料層層累加的方式實(shí)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(jì)制造實(shí)現(xiàn)了可能。
拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)尋求一種能夠根據(jù)給定負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo),在指定區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)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(zhǔn)則、目標(biāo)等從這些子區(qū)域中刪除一定數(shù)量單元,用保留下來(lái)的單元描述結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)?,發(fā)揮系統(tǒng)材料最大利用率。
拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)打開(kāi)了產(chǎn)品再設(shè)計(jì)領(lǐng)域前所未有的天地,增材制造技術(shù)的核心價(jià)值也體現(xiàn)在以拓?fù)鋬?yōu)化、點(diǎn)陣設(shè)計(jì)、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)引領(lǐng)的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)與加工成為可能。
期待安世中德面向增材的先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造解決能力以及高端仿真技術(shù)解決能力與開(kāi)發(fā)能力,助力更多企業(yè)產(chǎn)品“設(shè)計(jì)優(yōu)化升級(jí)、復(fù)雜工程項(xiàng)目研發(fā)攻克、應(yīng)用開(kāi)發(fā)自主化”等進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)。
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