更少的材料，同樣甚至更好的力學性能，增材製造為設計師們打開了一個全新的領域。而通過3D打印實現輕量化的結構件，比較簡潔的思路是通過拓撲優化來確定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。拓撲方法確定在一個確定的設計領域內最佳的材料分佈：包括邊界條件、預張力，以及負載等目標。然後再通過點陣填充的方法來實現局部的輕量化。
本期谷.專欄安世亞太仿真專家以一個具備拓撲優化和點陣填充技術特點的某連接結構為示例，介紹該結構如何進行拓撲優化與點陣設計的過程以及一種點陣設計計算均質化力學參數的方法。
拓撲優化的應用
產品設計初期給以概念產品設計（較大輪廓與耗材）適當約束和載荷條件下，利用拓撲優化技術能夠設計材料利用率充分或一定材料耗損限制下承載能力更強的結構幾何；對於非承載或者承載力小的局部結構採用晶格點陣設計，也能有效進行輕量化設計。結合工程師豐富的產品設計經驗，是有能力最終讓產品結構更質輕質優的。
拓撲優化主要思想是尋求一種能夠根據給定負載情況、約束條件和性能指標，在指定區域內對材料分佈進行優化的數學方法，對系統材料發揮最大利用率。通過將區域離散成足夠多的子區域，藉助有限元分析技術對於結構進行強度分析或模態分析等，按照指定優化策略和準則從這些子區域中刪除一定數量單元，用保留下來的單元描述結構的最優拓撲。
拓撲優化的基本過程如下：
1) 對於結構進行邊界約束和載荷的施加，完成有限元分析計算求解模型；
2) 基於有限元分析計算求解模型後創建拓撲優化過程，具體創建拓撲優化過程包括：定義和控制優化過程；指定優化和不優化區域；確定響應約束定義；給以加工約束定義；確定優化目標等。
該連接結構產品拓撲優化前後比對如圖2所示，其中優化控制過程採用最小成員尺寸2mm，優化目標是體積去除80%，對稱平面為XZ平面。
拓撲後光順化處理和幾何重構
產品設計經過拓撲優化技術後，一般需要進行光順化和模型重構處理工作。目前各主流增材製造軟件，普遍具備自動和半自動完成的建模修復、光順化等能力。但是這種直接修復和光順化水平通常不滿足對於安裝、等位以及其他特徵需求的考慮（部分拓撲出來的結構不一定具備極限材料非線性後的極限承載能力），因此一般粗糙刻面片光順和手動重構建模新特徵是部分優秀的增材設計工程師兩種技術的混合的首選。
如圖3所示為該連接結構集合直接拓撲優化後光順化結果的結果，其中運用了刻面片面光順化以及幾何高級蒙皮功能技術的結構形貌設計方法，獲得更流暢的幾何過渡轉角，更為流暢造型質感，一定程度降低拐角位置的應力集中，但若該連接結構的其他裝配幾何設計變更，該連接件去快速更新外觀幾何設計是相對較為困難，此類結構一般更適合增材製造完成產品生產。
晶格點陣設計填充
該示例結構希望在局部位置以晶格點陣進行填充，填充後的結構形式如圖4所示。由於本示例的演示作用，因此晶格點陣進行填充設計基於拓撲優化後的結構進行，但一般晶格點陣的填充應該在以完成的合理的幾何結構上進行點陣區域分佈的設計，而不是相反。
晶格點陣在結構輕量化上的運用建立在點陣均質化與宏觀結構計算基礎關係上，消除晶格點陣有限元分析中尺度問題的標準方法是均勻化,在所有的仿真方法中都存在尺度分離的假設，如果違背微尺度結構必須明顯小於宏觀尺度這一假設，微觀和宏觀尺度不能獨立建模，這個假設對於增材製造點陣設計是合理的，所有計算中都是這個假設。
晶格點陣均質化各項異性或者非各項異性材料參數的計算能夠通過材料設計獲得，同時該模塊也支持微觀複合材料宏觀均質化的計算，例如圖5就是對帶有中間支撐的立方體進行均質化計算，通過定義點陣材料、晶格類型、比例分數等最終獲得這個中間支撐立方體的各項異性力學參數。
設計驗證工作
連接結構的設計驗證工作通過“Design Validation System”模塊進行，自動創建之前的靜力或模態分析計算模塊，並繼承之前的全部計算載荷和約束。
對圖3的模型基於圖5點陣分佈區域分割點陣和非點陣區域，對點陣區域創建結構賦值均質化方法計算各項異性參數，對非點陣區域賦予原始計算參數，完成有限元求解計算即可，計算過程和計算結果等同一般計算過程不再描述。
付穌昇
安世中德結構仿真諮詢專家，中國機械工程學會認證機械工程師資格，目前主要負責大型產品的強度、疲勞、複合材料、動力學、非線性、優化設計等方面的仿真分析工作。先後出版ansys workbench和ansys ncode designlife書籍各一本。
- - - - - -
《3D打印與工業製造》登陸京東網上書店
基於《3D打印與工業製造》讀書分享微課
20萬+人觀看的人氣基礎
3D科學谷創始人推出最新微課：
《3D打印發展趨勢及中國市場的機遇與挑戰》
網站投稿請發送至[email protected]
閱讀更多 3D科學谷 的文章
