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创成式设计与增材制造,颠覆传统设计制造模式

2017/9/21    来源:e-works    作者:e-works郝秋红      
关键字:创成式设计  增材制造  拓扑优化  
创成式设计是一个人机交互、自我创新的过程。增材制造技术可以将复杂的设计变为现实,已成为创成式设计的“好搭档”。创成式设计与增材制造的发展正在改变着设计制造的模式。

    创成式设计(Generative Design,GD)是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图,通过“创成式”系统,生成潜在的可行性设计方案的几何模型,然后进行综合对比,筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)是设计师的福音,可以将复杂的设计变为现实,已成为创成式设计的“好搭档”。创成式设计与增材制造的发展正在改变着设计制造的模式。

GD+AM,颠覆传统

    创成式设计,突破设计极限

    创成式设计(Generative Design,GD)是CAD\CAE\OPT技术的融合。首先通过CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计)工具完成产品的初始实体建模工作,再通过OPT(Optimization,优化技术)进行优化,优化后的模型在CAD系统中进行重构,利用CAE(Computer Aided Engineering,计算机辅助工程)工具进行仿真验证,对比几种优化方案后,选择最优的一种。

图:创成式设计流程图

图:创成式设计流程图(图片来源:互联网)

    优化技术在创成式设计中占有十分重要的作用,它能使设计者从众多的设计方案中获得较为完善的最优设计方案。根据设计变量的类型,优化设计分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。

    尺寸优化:在给定结构的类型、材料、布局拓扑和外形几何的情况下,优化各个组成构件的截面尺寸,使结构最轻或最经济,它是优化设计中的最低层次;

    形状优化:若结构的几何可以变化,如把桁架和刚架的节点位置或连续体边界形状的几何参数作为设计变量,优化又进入了一个较高的层级,即所谓的形状优化;

    拓扑优化:若再允许对桁架节点联结关系或连续体结构的布局进行优化,则优化达到最高的层级,即结构的拓扑优化。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化,具有更多的设计自由度,能够获得更大的设计空间,最具发展前景。

    拓扑优化一方面可以帮助设计师根据产品的性能要求,在指定的设计空间内快速、准确的实现产品设计;另一方面,可以优化改善结构性能、减轻产品质量,最后找到一种全新的设计方案。创成式设计中的优化技术主要是拓扑优化(Topology Optimization,TO),即根据给定的负载情况、约束条件和性能指标,在给定的区域内对材料分布进行优化的方法。

    在机械结构件设计中,创成式设计方法已经被大量运用。对于超出设计者经验的新型结构来说,创成式设计是最有效的设计工具。但区别于传统的经验式设计模式,创成式设计面临一个极大的难题:结构形式复杂,可制造性差,依靠传统的制造方法根本无法制造出产品原型。但随着增材制造技术的发展,通过创出式设计完成的产品结构就能够在短时间里被加工制造出来。

责任编辑:郝秋红
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