用功能定义结构造型|达索系统CATIA功能驱动创成式设计

       设计、制造一级方程式车队的赛车，与设计、制造普通汽车完全不同。赛车运动追求保证安全下的极端速度，必然所有部件的载荷、温度、受力等都处于极端的工况之中并要留有充分的余量。因此，要想研制在赛车场上表现出色的一级方程式赛车，就必须进行大量的精心设计和思考。许多一级方程式车队已开始利用更具创新性的技术来设计、制造其车辆，典型技术包括增材制造、拓扑优化、创成式设计等。

       2019年，达索系统CATIA和SIMULIA团队参加了由美国计算力学协会(USACM)组织，位于美国新墨西哥州阿尔伯克基市的桑迪亚国家实验室主办的年度拓扑优化圆桌会议。会上，众多参赛团队为赢得该圆桌会议设置的挑战赛跃跃欲试：利用拓扑优化软件为一级方程式赛车设计部件。给出最有效设计方案的团队将赢得冠军。

       需要设计的目标部件是转向节，它将车轮，制动盘，轮毂，制动钳和转向臂连结到车辆。该部件由于承担高速运动中的制动和转弯操作，将会承受巨大的载荷力，因此该设计部件需要适应各种严苛的工况和各种内转弯/外转弯、前行制动/后退制动等场景。

应对挑战

       达索系统团队在竞赛过程中使用了“功能驱动的创成式设计(CATIA GDE)”作为主要工具。这是一种基于物理的方法，应用了认知增强设计技术；该设计由功能规格驱动，旨在创建创新的轻量化产品结构。该项技术简化了以前不连贯的工作流程，并协助工程师在较短时间内快速交付创新形状的结构。

       该解决方案由CATIA设计和SIMULIA有限元分析APP两个部分组合而成，采用Tosca拓扑优化技术来设计、仿真转向节，以最大程度地减轻重量。达索系统团队共设计了三款部件，涵盖了增材制造、铣削、铸造等加工工艺；可用的材料分别是铝合金、钛合金和钢。

       仅点击一次鼠标，该软件即可帮助团队在不到一分钟时间内，完全自动地创建含复杂曲面的实体部件概念方案，且每张曲面都自动连接到非设计区域。初始仿真（或优化）的载荷工况可自动复制到这些概念方案上，以持续验证设计合理性。

       由于制造工艺的不同，每种详细设计过程之间都略有差别。例如，增材制造方式产生的形态即为最终结果，可以直接生产；而铣削件则需要额外的步骤、以考虑部件将被铣掉的材料。但总的来说，每个部件仅需数分钟，即可完成从最初的概念设计到最终的详细设计的流程。

结果：达索系统夺冠

       达索系统软件的效率和功效给比赛评委留下了深刻的印象，团队因此夺得第一名桂冠。

       该圆桌赛事是一个极佳的范例，展示了如何利用达索技术在短短数分钟内生成复杂零件、并不断仿真、使之完善。一级方程式赛车世界从这些工具中受益匪浅，因此能够创造出更好、更强健、更有效的部件，从而使赛车及其赛车手在竞争中占据优势。

       事实上，该软件的应用范围远不止一级方程式赛车。从汽车世界到航空航天国防工业，从精密加工到生命科学，增材制造，创成设计和拓扑优化在提高性能和安全性方面发挥着更大、更重要的作用，且在不牺牲成本或上市时间的前提下实现。实际上，它可以帮助制造商以前所未有的速度创建零部件并对其优化，从而可以确保他们及其客户获得最佳性能。

       CATIA GDE作为新型的解决方案，集仿真计算、材料、工艺、生产于一体，提供给设计师一个原点，就是纯粹满足了功能的造型；在这个基础上，设计师有充分的余地和正确的方向，使设计更美观、更易于加工，同时拥有更低的成本和更快速的设计响应时间。

       十九世纪初，有机建筑的先驱路易斯·沙利文(Louis Sullivan)提出过一个著名的观点，即“形式追随功能（Form Follows Function）”，并广泛地运用在自己的建筑成果之上，留下了一系列里程碑式的作品。一百多年后的今天，我们不用机械地去理解这句话的含义，而是在一个高速发展的技术时代，体验这样一个思路：重新审视我们的设计原点和设计外延，去开拓新的设计时代。