增材製造是未來製造業的發展趨勢，其優勢是可以實現傳統工藝手段無法制造的設計，比如複雜輕量化結構、點陣結構設計、多零件融合一體化製造。增材製造是工藝的革命，同時，也打開了設計的枷鎖，帶來了產品設計的革命。在面向增材的設計中，需要重新審視原有設計，關注增材製造與其它工藝的不同之處，充分發揮增材的優勢，這些差異會給我們帶來面向增材的設計機會。

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視訊：拓撲優化

案例：通訊衛星支架結構經過拓撲優化的再設計，去掉了44個鉚釘成為一體化結構，重量減輕了35%，而剛性卻提高了40%。

案例：機器人機械臂的增材設計流程在ANSYS平臺下完成，對其兩個機械臂部件進行設計優化，流程包括拓撲優化、結構光順、模型驗證，並通過3D打印製造。優化結果在最大應力和最大變形相當的情況下，重量減少了40%。

一個完整的面向增材製造的先進設計流程通常包括如下幾個步驟：

Step1

拓撲優化：確定概念設計。

Step2

後拓撲結構設計：包括模型光順處理、實體化、點陣結構設計等。

Step3

設計驗證：對設計方案進行效能模擬，確定其符合設計要求。

Step4

引數優化：在設計驗證的基礎上進一步進行詳細的設計優化和定型。

拓撲優化

拓撲優化基於已知的設計空間和工況條件以及設計約束，考慮工藝約束，比如增材製造的懸垂角，確定剛度最大、品質最小的設計方案。它通過計算材料內最佳的傳力路徑，通過優化單元密度確定可以挖除的材料，最終的優化結果為密度分佈：0（完全去除）~1（完全保留）。拓撲優化革新了傳統的功能驅動的經驗設計模式，實現了以實現產品效能驅動的設計，成為真正的正向設計模式。

拓撲優化的成熟產品比較多，如ANSYS Topology、Genesis、optiStruct

、SolidThinking、Tosca等。根據3D科學谷，隨著3D列印對拓撲優化工具需求的發展，市場上還出現了基於雲的拓撲優化軟體，例如ParaMatters的CogniCAD和Frustum的Generate（被PTC收購）。

後拓撲結構設計

拓撲優化僅僅給出材料分佈的概念設計，在拓撲優化概念設計模型的基礎上，應用專業的後拓撲模型處理技術進行後拓撲模型處理，在最大限度保留拓撲優化結構特徵的基礎上形成符合力學要求、美學要求以及裝配要求的最終設計模型，並根據需要對其進行引數化以利後續引數化詳細設計。

後拓撲模型處理的關鍵環節如下，根據需要選擇具體步驟。

Step1 拓撲優化結果（保留材料區域）輸出STL格式。

Step2 片體模型處理(清理、修復、光順、逆向工程等)。

Step3 實體建模操作：點陣結構設計、實體化、模型重構等。

Step4 模型引數化（如果後續需要進行引數優化）。

後拓撲模型結構設計需要可對片體模型進行處理和逆向工程操作的軟體工具，如ANSYS Spaceclaim、Materialise 3-Matic等。

點陣結構設計與優化

點陣結構不僅僅是一種輕量化結構，也是一種功能性結構，比如減振、降噪、隔熱、防火等功能，增材製造技術使得複雜點陣結構的大量應用成為可能。

點陣結構的設計與拓撲優化可以實現流程上的整合，基於拓撲優化可以實現點陣結構的優化設計，以ANSYS Topology為例，基於選定的點陣結構型別，拓撲優化可以對點陣結構密度進行優化，基於優化的點陣結構密度，ANSYS Spaceclaim自動生成變密度的點陣結構。

點陣結構設計需要專業的設計軟體來完成，例如ANSYS Spaceclaim和Materialise 3-Matic均提供了多種內建點陣結構，使用者可以直接選擇點陣結構型別自動完成選定區域的點陣設計，並通過引數來控制其填充率和尺寸。

設計驗證與點陣結構分析

拓撲優化的設計方案需要應用模擬手段進行效能驗證，包括結構力學效能、流體動力學效能等，這需要拓撲優化流程與模擬流程的整合與資料傳遞。根據3D科學谷，目前被應用的比較廣泛的有限元分析軟體主要來自ANSYS、ABAQUS、MSC等。常見的有限元軟體包括MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NX Nastran、Hypermesh、LUSAS、COMSOL Multiphysics、FEPG等等。

點陣結構方面，點陣結構由於其結構複雜性和龐大的構件數量而成為模擬的難點，尤其是點陣結構的優化設計技術是需要解決的一個問題。

在這方面，安世中德諮詢有限公司開發了專門的集成於ANSYS Workbench的點陣結構模擬分析模組Lattice Simulation。其基本思想是以巨集細觀結合多尺度演算法為基礎的等效均質化力學方法。即基於細觀分析方法（子胞分析）獲取點陣結構巨集觀均質化力學特性，然後通過巨集觀分析對點陣結構進行等效模擬，再回到細觀，基於巨集觀計算結果對點陣結構進行區域性細節模擬。

點陣結構多尺度模擬分析關鍵技術環節包括：

Step1 點陣結構胞元的確定。

Step2 點陣結構胞元的均勻化分析以及點陣結構等效性質（等效彈性矩陣）的確定。

Step3 針對實際工況，進行整體結構經等效均勻化後的計算，確定整體變形和應變。

Step4 點陣結構胞元的區域性應力分析（基於均質化應變確定點陣結構的強度）。

引數優化

拓撲優化後的結構設計流程進入設計驗證階段後，即進入了詳細設計定型階段，而結合引數優化技術進行設計定型，是一種更有效的詳細設計手段。

引數優化的一般流程包括以下步驟：

Step1 引數化建模：包括引數化CAD模型（如尺寸引數）以及引數化有限元模型（如載荷工況條件引數化）。

Step2 引數敏感性分析：識別重要性引數，過濾無關引數，並建立高品質響應面，為後續快速優化做準備。

Step3 優化分析：定義優化目標、約束條件，設定優化演算法進行優化計算。

Step4 設計驗證：對最終的優化設計進行驗證性分析。

Step5 穩健性可靠性評估：若對可靠性有要求，則進行穩健性可靠性分析與優化。

引數化建模是引數優化的基礎，基於拓撲優化的設計方案實現引數化建模要求具備無引數模型的引數化轉換工具，如ANSYS Spaceclaim，可以基於任何無引數CAD模型進行直接引數化設計，為後拓撲引數化建模提供了便利，引數化模型可直接關聯到ANSYS Mechanical環境，並與ANSYS引數優化模組optiSLang實現雙向關聯，完成引數優化設計。

優化分析基於專業的引數優化工具進行，目前主流的引數優化軟體有ANSYS optiSLang、iSight、ModelCenter等。以ANSYS optiSLang為例，optiSLang可與眾多主流的CAE求解器整合進行優化設計，並整合在ANSYS Workbench環境中，無縫呼叫ANSYS求解器（以及點陣分析工具）完成響應（如重量、應力、剛度、固有頻率等）計算，並應用先進的優化搜尋演算法尋找滿足優化目標和優化約束的最佳設計變數，最終獲取滿足效能要求的最佳設計方案。

拓撲優化與引數優化聯合應用例項

鋁合金振動臺動圈骨架的工作狀態為振動環境，設計要求一階共振頻率儘可能高，同時滿足其他效能指標要求（包括強度、Q值、橫向振動、檯面均勻度等）。其原始設計工作頻率偏低，不能達到預期，希望通過優化設計來提升效能，優化目標是：

- 品質不增加。

- 豎向一階共振頻率儘量提升。

- 其餘效能指標與原設計相當於或優於原設計（強度、Q值、橫向振動、檯面振動均勻度）。

振動臺動圈骨架優化設計的優化過程分為三個步驟：

Step1 拓撲形貌優化：以Z向剛度最大為目標搜尋重量最小的材料分佈。

Step2 引數化建模：基於拓撲優化的結果建立引數化CAD模型。

Step3 引數優化：以品質不增加和Z向一階共振頻率最大化為目標進行優化。

最終優化結果在品質降低1.3kg的情況下頻率提升270Hz，其他效能指標也全面提升。

基於增材思維的設計是進行面向增材製造、由產品效能驅動的設計，即產品效能驅動的生成式設計。在該設計流程中，正向設計是核心思想，模擬優化是核心技術。在面向增材的設計中，設計師可以更多的去關注產品要實現的效能目標，很多我們原來所熟悉的產品變得跟原來的設計相比零件更少，材料更少，具備同樣甚至更好的力學效能，增材製造為設計師們打開了一個全新的領域。