1.題目：

                                            基于Altair Inspire的結構設計與增材制造一體化研究

 概述：拓撲優化代表著當今結構設計的發展方向，通過該技術能得到滿足使用工況下的最優構型，達到輕量化的目的。增材制造技術的提出有效地解決了拓撲優化的難加工問題。本文主要通過結合增材制造技術和拓撲優化方法，利用Altair Inspire軟件，針對兩個具體研究對象，制定了結構創新設計和增材制造的設計制造流程。

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2.課題要求:以某支撐結構優化設計為應用背景，根據零件結構和典型載荷工況，對結構進行減重。

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3.課題內容:拓撲優化之后的結果難以采用傳統的加工工藝即減材制造方式加以制造，增材制造的提出有效的迎合了拓撲優化的需要，并且Altair公司旗下的Inspire是一款專業的仿真軟件，其介紹如圖1所示。

                                                                        圖1 拓撲優化軟件

因此，針對一無人機支撐結構進行拓撲優化，首先提取出幾何模型進行建模，然后在Altair Inspire中劃分設計空間和非設計空間，選取底部八個角點作為固定支撐，頂部受到由機體傳遞的載荷，通過結構分析模塊得到等效應力云圖和等效應變云圖，并將其作為拓撲優化問題的比較基準，如圖2所示。

                                                                      圖2 拓撲優化過程

在Altair Inspire軟件中進行拓撲優化的相應設置，選取系統的柔度最小為設計目標（即剛度最大），選擇約束為體積不大于初始體積的20%，并且設置對稱循環約束，最終得到拓撲優化結果，并將其利用軟件進行模型的后重構，如圖3所示。

                                                                     圖3 拓撲優化結果

為了和基準解得到比較，我們將其導入到Altair Inspire軟件中進行分析，約束和載荷設置與前述保持一致，得到結果如圖4所示。

                                                                    圖4 拓撲優化結果分析

二次構型后的支撐結構在約束下受力的最大等效應力為243.86MPa，在支撐結構的鋁合金材料抗拉/壓極限內，并且從幾何質量中可以得到，優化后的結構重量為0.082千克，與初始結構的重量（0.420kg）相比，質量下降了80.5%，應力水平只上升了50%，仍滿足強度要求。

然后將其利用極光爾沃公司的603-s設備進行增材制造，其增材制造過程和結果如圖5所示。

                                                                      圖5 增材制造結果

我們不滿足于這種簡單結構的建模和優化，我們將其流程推廣到復雜的結構件中，如汽車的輪罩護板部分，首先對汽車的輪罩護板部分進行建模，然后取需要考慮的部件進行分析，對輪罩護板部分進行一定的簡化，所得到的模型圖如圖6所示。

                                                                        圖6 汽車輪罩護板

為了驗證Altair Inspire軟件在簡化操作的同時仍然能保持很高的精確度，采用Altair Inspire軟件優化結果和ANSYS workbench軟件進行對比，如圖7所示。

                                                                     圖7 不同軟件優化結果

可以從上圖中看出，使用兩種軟件所得到的拓撲優化結果基本一致，而Altair Inspire操作更加便捷，所得結果可以自動進行光順化處理，因此值得大力推廣和應用。

后續模型的后重構和驗證在此不再贅述。得到拓撲優化模型的最大等效應力為351.12MPa，最大應變為9.37×10^-4，質量為0.053千克，質量較原結構減輕72%，應力水平只上升11%，優化效果顯著。最終制造的模型如圖8所示。

                                                                        圖8 增材制造結果

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4.結論：

由前述兩個算例可以得出，拓撲優化作為現代結構設計中的優化潛力最大的方法，應用面十分寬泛，但是其后重構模型難以采用普通成型方式制造。增材制造作為近年來研究熱點之一，其概念的提出解決了部分拓撲優化問題中難以實現機械加工的部分問題。因此，可以將拓撲優化方法和增材制造技術作為不可分割的整體，從大局的高度研究該問題，并且，Altair Inspire作為一款優秀的結構創成化設計軟件，值得被廣大設計師應用和推廣。值得關注的是，這一軟件在近年來吸引了越來越多的海內外學者，拓撲優化方法和增材制造技術的理論和應用如雨后春筍般迅速壯大。

大連理工大學-孫肇優-Altair Inspire學生案例競賽+工業設計.zip