DfAM專欄 | “上汽大眾拓撲優化設計大PK”一等獎作品設計技術詳解

安世亞太

2021年10月28日 14:14

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增材制造是基于三維模型數據的材料（分層）堆積成型的數字制造技術，相比傳統的減材制造和等材制造，增材制造技術在很大程度上實現了自由制造，必將引領制造業發展出全新的基于增材制造工藝的設計（DfAM）理念，為工業品提供顛覆性的設計改進空間，帶來了巨大的價值。

增材制造作為未來制造業的發展趨勢，在各個行業得到了廣泛的應用。在汽車制造領域，增材制造技術已經成為提高汽車設計和制造力的一項關鍵技術，解決隨形內流道、復雜薄壁、零件減重、復雜內腔、多部件集成、大型復雜構件等技術難題；在汽車模具領域，增材制造的隨形冷卻系統模具壽命提高近2倍，型腔內溫度降低近45%，作業周期縮短了25%。此外增材制造技術在工業機械、航空航天、藝術品/首飾、電子產品/消費品等領域也在廣泛開展應用。

安世亞太公司已經成功實施了大量基于增材設計的結構優化案例，積累了豐富的經驗，為航空航天、汽車制造、工業機械等領域提供性能更優、質量更輕、效率更高的增材結構設計方案。本文以安世亞太在“上汽大眾3D打印創新論壇暨拓撲優化設計大PK”比賽中獲得一等獎的作品為例，為讀者介紹DfAM的操作流程，以及DfAM帶來的巨大價值。

比賽主題：某重載鉸鏈支架結構優化設計

初始條件選取某重載鉸鏈初始結構如圖1所示。

1）前端1個橫向通孔通過直徑3mm的銷子承受載荷，其位置和直徑不可變動；

2）后端通過4個M6螺栓進行固定，螺栓過孔位置和直徑不可變動，螺栓過孔數量可保留1-4個；

3）螺栓安裝端面所在平面的位置不可變動。

圖1 原始結構

圖2 加載方案

加載方案

采用萬能試驗機進行加載試驗，鉸鏈用4個螺栓固定在基板（灰色部分）上，前端夾具施加豎直方向載荷，加載速度5mm/min，加載直到結構破壞為止，記錄結構破壞時試驗機讀數。

材料及工藝特性

打印材料為光敏樹脂，設計結構將采用SLA設備進行打印，材料及工藝特性如表1所示。

比賽要求

1）結構重量不超過原始結構重量；

2）結構在安裝和測試過程中不與試驗夾具干涉；

3）盡可能提高結構的強度。

設計結構只允許在圖中藍色矩形區域和夾具接觸，其余區域不允許接觸，如圖3所示。

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圖3 設計結構與夾具接觸區域

在進行結構拓撲優化之前，需要 對拓撲空間進行確定 ，先定義設計空間，從而避開不可設計區域，并且適當的擴大設計區域，這樣做的意義在于可以使拓撲工具得到充分的發揮空間，但是我們要考慮到計算資源以及時間問題，進行衡量取舍得到最有效的拓撲空間，圖4透明位置的模型是初始拓撲空間。

圖4 拓撲優化的可設計空間

圖4中螺栓連接工裝位置在拓撲空間中做了通孔，這是因為要保證最后的拓樸結果不與螺栓連接的工裝位置發生干涉。考慮到零件的接觸空間，對固定基板也做了簡化處理。

然后進行邊界固定和載荷施加的設置， 圖5中第一個模型藍色部位是邊界固定的位置，第二個模型的紅色位置是施加載荷的位置，在施加載荷的孔中只選擇了下半面來施加沿X軸向下的力5000N。如果將孔中的上下表面全部施加載荷，就會和現實中的受力情況出現差異，從而影響拓撲優化結果的準確性。網格采用的是3mm四面體，拓撲優化的目標重量設定為30%。

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圖5 邊界固定與載荷施加位置

圖6中為拓撲優化結果，這種拓撲結果很顯然并不是最終的結構形式，我們需要 對拓撲優化結果進行重構，并再次仿真來進行調整改進。

圖6 拓撲優化結果

對于拓撲優化的結果進行重構往往是一件非常困難且耗費時間的工作，在這一步時我們直接采用spaceclaim模型包裹光順來進行重構。圖7中為第一次重構的模型。

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圖7 方案一模型

對目前第一次重構后的模型進行仿真分析，所得到的總變形和等效應力如圖8所示，最大變形點在加載區域，從整體來看零件的應力分布不太均勻，最大應力集中在螺栓連接處，部件中心處仍然存在大片應力較小的區域，說明還有許多減重空間。在應力云圖中紅色箭頭指出的位置，可能會發生失穩，所以決定在這個部位增加結構的穩定性，讓結構與工裝用四個螺栓連接。

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圖8 方案一總變形與等效應力云圖

進行第二次重構模型，再做進一步的仿真。第二次重構的模型如圖9所示，可以看到對螺栓孔與載荷施加區域進行了更加細致的處理，同時也將零件進行了適當“瘦身”。

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圖9 方案二模型

方案二模型的變形云圖和等效應力云圖如圖10所示，從云圖來看變形較小但應力分布依然不均勻，尤其在右圖等效應力云圖中箭頭指向的紅圈位置，應力較小，還有一定的減重空間，對其進行局部優化后進行進一步的仿真來做驗證。

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圖10 方案二變形和等效應力云圖

在進行第三次重構后我們所得到的模型如圖11所示，在這次的挖孔減重當中并不是只考慮了圓形孔，同時也考慮到了更適合增材制造的水滴形孔，但是在仿真中的圓形孔應力分布更合理，總變形更小。

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圖11 方案三模型

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圖12 方案三變形和等效應力云圖

圖12中為重構后方案三變形和等效應力云圖，根據結果對比之前兩版方案可以看出總變形更小，應力分布更合理，部件主承力區應力區間均在20Mpa-50Mpa間，其中應力集中處在螺栓孔根部出現，預判斷裂位置為此位置。

考慮到真實實驗工況為準靜態加載而非靜態加載，為了進一步精確的驗證結構強度，我們采用了基于LS-DYNA的準靜態強度分析方法進行驗證，分析結果如下圖所示：

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DfAM專欄 | “上汽大眾拓撲優化設計大PK”一等獎作品設計技術詳解的圖23 圖13 仿真結果與實驗對比

根據分析結果可以發現，應力集中位置是螺栓根部，與之前靜力學仿真結果相吻合，但是靜力學結果未能表現出來動態應力值，通過LS-DYNA進行準靜態強度分析，可以預測螺栓根部首先出現應力峰值47Mpa，已經超過材料抗拉極限，明顯此處發生破壞，結構失效，此時接觸反力約為3013N。如下圖紅色曲線為物理實驗測得反力曲線，峰值為3262.7N，斷裂位置如圖14與仿真分析結果完全一致。

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圖14.實際斷裂位置

通過本案例我們詳細介紹了如何在DfAM設計理念的指導下，將一個汽車支架類結構進行拓撲優化設計和基于仿真結果的模型重構，實現了減輕結構重量和提高承載能力的目標。該零件的最終重量為 99g ，比題目原始模型 減重了33g ，達到了較為合理的重量/承載能力平衡點，取得了本次比賽第一名的好成績。