阿迪達斯在世界海洋日發(fā)(fā)布了新款的ALPHAEDGE 4D 海洋系列版本運動(dòng)鞋。這款鞋是用海洋回收的塑料材料制成的，其鞋中底是3D打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

那么如何實(shí)現(xiàn)帶有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的鞋中底的參數(shù)優(yōu)(yōu)化設(shè)計呢？

專(zhuān)家以某一款運動(dòng)休閑鞋鞋中底的點(diǎn)陣材料填充設(shè)計為例，驗證了點(diǎn)陣材料參數(shù)優(yōu)(yōu)化設(shè)計方案的合理性、可行性和精度。通過(guò)點(diǎn)陣材料仿真技術(shù)(shù)方案LatticeSimulation，獲得給定點(diǎn)陣材料在不同體積分數(shù)下的等效性質(zhì)(zhì)，并以此為基礎(chǔ)，對體積分數(shù)進(jìn)行參數(shù)化，利用參數(shù)優(yōu)(yōu)化軟件optiSLang對體積分數(shù)進(jìn)行優(yōu)(yōu)化，從而獲得產(chǎn)(chǎn)品的最終定型。通過(guò)對某一款運動(dòng)休閑鞋鞋中底的點(diǎn)陣材料填充設(shè)計，展示了利用參數(shù)優(yōu)(yōu)化對點(diǎn)陣材料進(jìn)行設(shè)計的全過(guò)程。結(jié)果顯示由對點(diǎn)陣材料進(jìn)行參數(shù)優(yōu)(yōu)化設(shè)計可以獲得滿(mǎn)足要求的點(diǎn)陣材料填充，并且具有較高的計算精度。

一、點(diǎn)陣材料參數(shù)優(yōu)(yōu)化設(shè)計概述

增材制造是未來(lái)制造業(yè)(yè)的發(fā)(fā)展趨勢，其優(yōu)(yōu)勢顯而易見(jiàn)，它可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝手段無(wú)法制造的設(shè)計，比如復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計、多零件融合一體化制造等。增材制造不僅是工藝的革命，它還帶來(lái)了設(shè)計的革命，帶來(lái)了全新的設(shè)計可行性，使得改變設(shè)計理念成為必然。點(diǎn)陣材料作為一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，除了輕量化的特點(diǎn)外，還具有優(yōu)(yōu)良的比剛度、比強度、阻尼減震、緩沖吸能等功能性特點(diǎn)。但是，點(diǎn)陣材料由于其含有大量復(fù)雜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致直接建模和仿真計算工作量巨大，傳統(tǒng)的有限元分析無(wú)法或很難直接進(jìn)行計算。因此，針對由點(diǎn)陣材料填充的結(jié)構(gòu)，目前普遍采用的方法是多尺度均勻化方法，其基本思想是以宏細觀(guān)結(jié)合的多尺度算法為基礎(chǔ)的等效均質(zhì)(zhì)化方法。即基于細觀(guān)分析方法（子胞分析）獲取點(diǎn)陣材料宏觀(guān)均質(zhì)(zhì)化力學(xué)(xué)特性，然后通過(guò)宏觀(guān)分析對點(diǎn)陣材料進(jìn)行等效模擬，再回到細觀(guān)，基于宏觀(guān)計算結(jié)果對點(diǎn)陣材料進(jìn)行局部細節(jié)模擬。

參數(shù)優(yōu)(yōu)化技術(shù)(shù)作為對產(chǎn)(chǎn)品進(jìn)行詳細設(shè)計的有效手段，可以對產(chǎn)(chǎn)品的細節(jié)進(jìn)行參數(shù)化建模并進(jìn)行優(yōu)(yōu)化設(shè)計，以達到詳細設(shè)計的目的，完成產(chǎn)(chǎn)品的最終定型。

參數(shù)優(yōu)(yōu)化的一般流程包括以下步驟：

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）。

參數(shù)敏感性分析：識別重要性參數(shù)，過(guò)濾無(wú)關(guān)(guān)參數(shù)，并建立高質(zhì)(zhì)量響應(yīng)面，為后續(xù)快速優(yōu)(yōu)化做準備。

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

設(shè)計驗證：對最終的優(yōu)(yōu)化設(shè)計進(jìn)行驗證性分析。

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)(yōu)化。

二、點(diǎn)陣材料參數(shù)優(yōu)(yōu)化設(shè)計流程

某一款運動(dòng)休閑鞋鞋中底如圖1所示。為了設(shè)計一款舒適的運動(dòng)休閑鞋，鞋中底的設(shè)計至關(guān)(guān)重要。首先需要對鞋中底確定設(shè)計目標。對舒適性的量化采用兩個(gè)設(shè)計目標：一是人正常站在鞋中底上時(shí)，人的腳掌底部受力盡量均勻，這同時(shí)意味著(zhù)鞋中底上表面受的壓力是均勻的；二是鞋中底的重量盡可能低，即輕量化。點(diǎn)陣材料由于其獨特的結(jié)構(gòu)和性能，使得在對鞋中底進(jìn)行輕量化時(shí)成為一時(shí)之選。

圖1. 某一款運動(dòng)休閑鞋鞋中底

具體的優(yōu)(yōu)化策略如下：

首先將此鞋中底劃分為若干個(gè)區(qū)域（45個(gè)區(qū)域），如圖2所示。

圖2. 對鞋中底進(jìn)行劃分（45個(gè)區(qū)域）

然后選擇一種點(diǎn)陣材料，點(diǎn)陣材料一旦選定，其等效性質(zhì)(zhì)就只與點(diǎn)陣材料的體積分數(shù)有關(guān)(guān)，這里我們采用的點(diǎn)陣材料如圖3所示。利用安世中德開(kāi)發(fā)(fā)的LatticeSimulation可以獲得此點(diǎn)陣材料在不同體積分數(shù)下的等效性質(zhì)(zhì)，如表1所示。

圖3. 點(diǎn)陣材料

表1. 點(diǎn)陣材料依賴(lài)于體積分數(shù)的等效性質(zhì)(zhì)

將此點(diǎn)陣材料按不同的體積分數(shù)填充到所劃分的區(qū)域中，不同的體積分數(shù)對應(yīng)不同的剛度，利用optiSLang優(yōu)(yōu)化得到不同區(qū)域的體積分數(shù)，從而使得鞋中底上表面受力均勻，從而完成鞋中底點(diǎn)陣材料填充的最終定型。其流程如圖4所示。

圖4. 鞋中底點(diǎn)陣材料參數(shù)優(yōu)(yōu)化流程

點(diǎn)陣材料參數(shù)優(yōu)(yōu)化設(shè)計算例

- 算例1

本算例主要用于驗證上述優(yōu)(yōu)化流程的合理性、可行性和精度。

首先將鞋中底劃分為10個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域（如圖綠色區(qū)域為一區(qū)域）填充的點(diǎn)陣材料是一致的，即體積分數(shù)相同，表示其填充材料的等效性質(zhì)(zhì)相同；不同的區(qū)域其體積分數(shù)不同（如圖所示），表示其填充的點(diǎn)陣材料的等效性質(zhì)(zhì)不同；針對10個(gè)區(qū)域，預(yù)先給定每個(gè)區(qū)域的點(diǎn)陣材料的體積分數(shù)，如圖5所示。此即為基準模型。

圖5. 給定點(diǎn)陣材料填充的鞋中底

針對已填充完點(diǎn)陣材料的鞋中底，在選定的鞋中底上表面（圖2紅色區(qū)域）施加合理的壓力（0.055MPa，相當于一個(gè)體重約為70kg的成年人），鞋的底部固定，從而計算獲得鞋中底上表面的變形；此變形我們稱(chēng)之為基準變形，基準變形與基準應(yīng)力如圖6所示。

圖6. 基準變形與基準等效應(yīng)力

然后，利用optiSLang以確定45個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的填充點(diǎn)陣材料的體積分數(shù)，以觀(guān)察優(yōu)(yōu)化獲得的體積分數(shù)是否與圖5所示的一致，以及產(chǎn)(chǎn)生的變形是否與圖6所示的一致。優(yōu)(yōu)化目標是設(shè)計鞋中底的上表面變形與基準變形的最小二乘函數(shù)最小化，設(shè)計變量為填充45個(gè)區(qū)域的不同的體積分數(shù)。體積分數(shù)優(yōu)(yōu)化結(jié)果如圖7所示。優(yōu)(yōu)化后的鞋中底上表面在三個(gè)方向的變形與基準變形的比較如圖8所示。

圖7. 優(yōu)(yōu)化后不同區(qū)域的體積分數(shù)

圖8. 優(yōu)(yōu)化結(jié)果與基準結(jié)果的比較

對比圖5與圖7，我們看到，不同區(qū)域優(yōu)(yōu)化后的體積分數(shù)很接近所預(yù)先設(shè)定的體積分數(shù)；并且從圖8可以看到，按優(yōu)(yōu)化后的體積分數(shù)進(jìn)行計算而得到的三個(gè)方向的變形與按預(yù)先設(shè)定的體積分數(shù)進(jìn)行計算而得到的三個(gè)方向的變形幾乎完全一致，因此，我們可以得到如下結(jié)論，即我們提出的優(yōu)(yōu)化策略是可行的，且精度可以保證。

- 算例2

算例2假設(shè)圖2紅色區(qū)域（即腳掌與鞋的接觸面）在一個(gè)成年人穿鞋站立時(shí)下移（沿z方向）了0.5mm，此即為基準變形，此時(shí)鞋中底上表面依然承受0.055MPa的壓力，如圖9所示。

圖9. 鞋中底優(yōu)(yōu)化時(shí)的載荷和約束

采用同樣的流程、同樣的優(yōu)(yōu)化目標以及同樣的優(yōu)(yōu)化策略，即利用optiSLang以確定45個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的填充點(diǎn)陣材料的體積分數(shù)，以觀(guān)察優(yōu)(yōu)化獲得的變形是否與預(yù)設(shè)的0.5mm一致。優(yōu)(yōu)化目標仍是設(shè)計鞋中底的上表面變形與基準變形的最小二乘函數(shù)最小化，設(shè)計變量為填充45個(gè)區(qū)域的不同的體積分數(shù)。優(yōu)(yōu)化后的變形如圖10所示。從圖10可以看到，鞋中底上表面與腳掌接觸的區(qū)域的變形都在0.5mm附近。此算例再一次驗證了我們提出的優(yōu)(yōu)化策略的合理性和精度。

圖10. 優(yōu)(yōu)化后的鞋中底上表面變形

結(jié)論

本文簡(jiǎn)要闡述了點(diǎn)陣材料的多尺度均勻化仿真技術(shù)(shù)和參數(shù)優(yōu)(yōu)化技術(shù)(shù)，并將二者的結(jié)合，即點(diǎn)陣材料的參數(shù)優(yōu)(yōu)化技術(shù)(shù)應(yīng)用于增材制造的先進(jìn)設(shè)計，其中涉及到的點(diǎn)陣材料多尺度均勻化仿真技術(shù)(shù)和參數(shù)優(yōu)(yōu)化技術(shù)(shù)可以在ANSYS Workbench平臺上通過(guò)調(diào)用參數(shù)優(yōu)(yōu)化軟件optiSLang和安世中德自主開(kāi)發(fā)(fā)的LatticeSimulation來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文以某一款運動(dòng)休閑鞋鞋中底的填充點(diǎn)陣材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，驗證了上述點(diǎn)陣材料的參數(shù)設(shè)計方案的合理性、可行性和精度。上面的案例說(shuō)明，點(diǎn)陣材料的參數(shù)設(shè)計方案不僅可以用于實(shí)際的運動(dòng)休閑鞋的仿真和優(yōu)(yōu)化，還可以應(yīng)用于所有涉及點(diǎn)陣材料填充的結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計中。

來(lái)源：3D科學(xué)(xué)谷