安世亞太：面向3D打印-增材制造的先進(jìn)設(shè)計案例與完整流程

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目  錄


1        面向增材的先進(jìn)設(shè)計概述        - 1 -
2        增材先進(jìn)設(shè)計流程        - 2 -
2.1        拓?fù)鋬?yōu)化        - 3 -
2.2        后拓?fù)浣Y(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(jìn)設(shè)計應(yīng)用實例        - 9 -
3.1        拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計應(yīng)用實例        - 10 -
3.2        拓?fù)鋬?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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(biāo)。

（2）  通過拓?fù)鋬?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?fù)鋬?yōu)化,；

（3）  通過后拓?fù)鋷缀翁幚硇纬沙跏荚O(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(jìn)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(jìn)行設(shè)計改進(jìn)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(jī)制造與測試。

                              

面向增材的正向設(shè)計流程

2       增材先進(jìn)設(shè)計流程

一個完整的增材先進(jìn)設(shè)計流程包括如下幾個步驟：

（1）  拓?fù)鋬?yōu)化：確定概念設(shè)計,。

（2）  后拓?fù)浣Y(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(jìn)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(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計優(yōu)化和定型,。

基于拓?fù)鋬?yōu)化的增材設(shè)計流程

2.1    拓?fù)鋬?yōu)化

  拓?fù)鋬?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?fù)鋬?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?fù)鋬?yōu)化的成熟產(chǎn)品比較多,，如ANSYS Topology,、Genesis、SolidThinking ,、Tosca等,。

2.2    后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

拓?fù)鋬?yōu)化僅僅給出材料分布的概念設(shè)計，在拓?fù)鋬?yōu)化概念設(shè)計模型的基礎(chǔ)上,，應(yīng)用專業(yè)的后拓?fù)淠Ｐ吞幚砑夹g(shù)進(jìn)行后拓?fù)淠Ｐ吞幚�,，在最大限度保留拓�(fù)鋬?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(jìn)行參數(shù)化以利后續(xù)參數(shù)化詳細(xì)設(shè)計,。

后拓?fù)淠Ｐ吞幚淼年P(guān)鍵環(huán)節(jié)如下，根據(jù)需要選擇具體步驟,。

（1）    拓?fù)鋬?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(jìn)行參數(shù)優(yōu)化）。

后拓?fù)淠Ｐ徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計需要可對片體模型進(jìn)行處理和逆向工程操作的軟件工具,，如ANSYS Spaceclaim,、Materialise 3-Matic等。

                                                         

后拓?fù)浣Y(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?fù)鋬?yōu)化可以實現(xiàn)流程上的集成，基于拓?fù)鋬?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?fù)鋬?yōu)化可以對點陣結(jié)構(gòu)密度進(jìn)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?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計方案需要應(yīng)用仿真手段進(jìn)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?fù)鋬?yōu)化流程與仿真流程的集成與數(shù)據(jù)傳遞,。

拓?fù)鋬?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(xì)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(xì)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(jìn)行等效模擬,，再回到細(xì)觀,，基于宏觀計算結(jié)果對點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部細(xì)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(jìn)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(qiáng)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?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程進(jìn)入設(shè)計驗證階段后,，即進(jìn)入了詳細(xì)設(shè)計定型階段，而結(jié)合參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計定型,，是一種更有效的詳細(xì)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(zhǔn)備,。

（3）  優(yōu)化分析：定義優(yōu)化目標(biāo),、約束條件，設(shè)定優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計算,。

（4）  設(shè)計驗證：對最終的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)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(jìn)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?fù)鋬?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(jìn)行直接參數(shù)化設(shè)計,，為后拓?fù)鋮��?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?fù)鋬?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(jìn)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(jìn)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(jìn)的優(yōu)化搜索算法尋找滿足優(yōu)化目標(biāo)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(jìn)設(shè)計應(yīng)用實例
2.1    拓?fù)鋬?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?fù)鋬?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(jī)器人機(jī)械臂的增材設(shè)計流程在ANSYS平臺下完成,，對其兩個機(jī)械臂部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，流程包括拓?fù)鋬?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(dāng)?shù)那闆r下,，重量減少了40%。

3.2    拓?fù)鋬?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(biāo)要求（包括強(qiáng)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(dá)到預(yù)期,，希望通過優(yōu)化設(shè)計來提升性能，優(yōu)化目標(biāo)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(biāo)與原設(shè)計相當(dāng)于或優(yōu)于原設(shè)計（強(qiáng)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?fù)湫蚊矁?yōu)化：以Z向剛度最大為目標(biāo)搜索重量最小的材料分布。

（2）  參數(shù)化建模：基于拓?fù)鋬?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(biāo)進(jìn)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(biāo)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/