更少的材料，同樣甚至更好的力學(xué)性能，增材制造為設計師們打開(kāi)了一個(gè)全新的領(lǐng)域。而通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)輕量化的結構件，比較簡(jiǎn)潔的思路是通過(guò)拓撲優(yōu)(yōu)化來(lái)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(gè)確定的設計領(lǐng)域內最佳的材料分布：包括邊界條件、預張力，以及負載等目標。然后再通過(guò)點(diǎn)陣填充的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)局部的輕量化。

本篇文章，專(zhuān)欄安世亞太仿真專(zhuān)家以一個(gè)具備拓撲優(yōu)(yōu)化和點(diǎn)陣填充技術(shù)特點(diǎn)的某連接結構為示例，介紹該結構如何進(jìn)行拓撲優(yōu)(yōu)化與點(diǎn)陣設計的過(guò)程以及一種點(diǎn)陣設計計算均質(zhì)化力學(xué)參數(shù)的方法。

 拓撲優(yōu)(yōu)化的應用

產(chǎn)(chǎn)品設計初期給以概念產(chǎn)(chǎn)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(yōu)(yōu)化技術(shù)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；對于非承載或者承載力小的局部結構采用晶格點(diǎn)陣設計，也能有效進(jìn)行輕量化設計。結合工程師豐富的產(chǎn)(chǎn)品設計經(jīng)(jīng)驗，是有能力最終讓產(chǎn)(chǎn)品結構更質(zhì)輕質(zhì)優(yōu)(yōu)的。

Peraglobal_1圖1。來(lái)源：安世亞太

 拓撲優(yōu)(yōu)化主要思想是尋求一種能夠根據(jù)給定負載情況、約束條件和性能指標，在指定區(qū)域內對材料分布進(jìn)行優(yōu)(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，對系統(tǒng)材料發(fā)(fā)揮最大利用率。通過(guò)將區(qū)域離散成足夠多的子區(qū)域，借助有限元分析技術(shù)對于結構進(jìn)行強度分析或模態(tài)(tài)分析等，按照指定優(yōu)(yōu)化策略和準則從這些子區(qū)域中刪除一定數(shù)量單元，用保留下來(lái)的單元描述結構的最優(yōu)(yōu)拓撲。

拓撲優(yōu)(yōu)化的基本過(guò)程如下：

1) 對于結構進(jìn)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) 基于有限元分析計算求解模型后創(chuàng )(chuàng)建拓撲優(yōu)(yōu)化過(guò)程，具體創(chuàng )(chuàng)建拓撲優(yōu)(yōu)化過(guò)程包括：定義和控制優(yōu)(yōu)化過(guò)程；指定優(yōu)(yōu)化和不優(yōu)(yōu)化區(qū)域；確定響應約束定義；給以加工約束定義；確定優(yōu)(yōu)化目標等。

Peraglobal_2圖2，來(lái)源：安世亞太

 該連接結構產(chǎn)(chǎn)品拓撲優(yōu)(yōu)化前后比對如圖2所示，其中優(yōu)(yōu)化控制過(guò)程采用最小成員尺寸2mm，優(yōu)(yōu)化目標是體積去除80%，對稱(chēng)平面為XZ平面。

  拓撲后光順化處理和幾何重構

產(chǎn)(chǎn)品設計經(jīng)(jīng)過(guò)拓撲優(yōu)(yōu)化技術(shù)后，一般需要進(jìn)行光順化和模型重構處理工作。目前各主流增材制造軟件，普遍具備自動(dòng)和半自動(dòng)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(mǎn)足對于安裝、等位以及其他特征需求的考慮（部分拓撲出來(lái)的結構不一定具備極限材料非線(xiàn)性后的極限承載能力），因此一般粗糙刻面片光順和手動(dòng)重構建模新特征是部分優(yōu)(yōu)秀的增材設計工程師兩種技術(shù)的混合的首選。

Peraglobal_3圖3，來(lái)源：安世亞太

 如圖3所示為該連接結構集合直接拓撲優(yōu)(yōu)化后光順化結果的結果，其中運用了刻面片面光順化以及幾何高級蒙皮功能技術(shù)的結構形貌設計方法，獲得更流暢的幾何過(guò)渡轉角，更為流暢造型質(zhì)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(guān)幾何設計是相對較為困難，此類(lèi)結構一般更適合增材制造完成產(chǎn)(chǎn)品生產(chǎn)(chǎn)。

 晶格點(diǎn)陣設計填充

該示例結構希望在局部位置以晶格點(diǎn)陣進(jìn)行填充，填充后的結構形式如圖4所示。由于本示例的演示作用，因此晶格點(diǎn)陣進(jìn)行填充設計基于拓撲優(yōu)(yōu)化后的結構進(jìn)行，但一般晶格點(diǎn)陣的填充應該在以完成的合理的幾何結構上進(jìn)行點(diǎn)陣區(qū)域分布的設計，而不是相反。

Peraglobal_4圖4，來(lái)源：安世亞太

 晶格點(diǎn)陣在結構輕量化上的運用建立在點(diǎn)陣均質(zhì)化與宏觀(guān)結構計算基礎關(guān)系上，消除晶格點(diǎn)陣有限元分析中尺度問(wèn)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于宏觀(guān)尺度這一假設，微觀(guān)和宏觀(guān)尺度不能獨立建模，這個(gè)假設對于增材制造點(diǎn)陣設計是合理的，所有計算中都是這個(gè)假設。

Peraglobal_5圖5，來(lái)源：安世亞太

 晶格點(diǎn)陣均質(zhì)化各項異性或者非各項異性材料參數(shù)的計算能夠通過(guò)材料設計獲得，同時(shí)該模塊也支持微觀(guān)復合材料宏觀(guān)均質(zhì)化的計算，例如圖5就是對帶有中間支撐的立方體進(jìn)行均質(zhì)化計算，通過(guò)定義點(diǎn)陣材料、晶格類(lèi)型、比例分數(shù)等最終獲得這個(gè)中間支撐立方體的各項異性力學(xué)參數(shù)。

設計驗證工作

連接結構的設計驗證工作通過(guò)“Design Validation System”模塊進(jìn)行，自動(dòng)創(chuàng )(chuàng)建之前的靜力或模態(tài)(tài)分析計算模塊，并繼承之前的全部計算載荷和約束。

對圖3的模型基于圖5點(diǎn)陣分布區(qū)域分割點(diǎn)陣和非點(diǎn)陣區(qū)域，對點(diǎn)陣區(qū)域創(chuàng )(chuàng)建結構賦值均質(zhì)化方法計算各項異性參數(shù)，對非點(diǎn)陣區(qū)域賦予原始計算參數(shù)，完成有限元求解計算即可，計算過(guò)程和計算結果等同一般計算過(guò)程不再描述。

文章來(lái)源：安世亞太