結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)以尋求材料最優(yōu)分布形式與最佳承力路徑為目的，在符合結(jié)構(gòu)材料力學(xué)特性的前提下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。然而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、快速制造。金屬增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的快速制造，極大地拓寬了設(shè)計(jì)空間。

金屬增材制造技術(shù)

金屬增材制造技術(shù)雖有效解決了復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可制造性差的問(wèn)題，但仍存在某些制造約束，如當(dāng)結(jié)構(gòu)最小尺寸小于束斑直徑時(shí)，零件實(shí)際打印輪廓會(huì)超出設(shè)計(jì)輪廓；激光選區(qū)熔化技術(shù)所能制造的零件幾何尺寸受限；當(dāng)懸垂角度選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生零件裝配孔材料塌陷、支撐結(jié)構(gòu)斷裂等現(xiàn)象；采用粉末床增材制造技術(shù)時(shí)，制造的含有封閉孔洞的結(jié)構(gòu)存在內(nèi)部粉末與支撐無(wú)法去除等問(wèn)題。因此，在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中需同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)幾何約束、成形約束、材料性能約束等多種增材制造約束，從產(chǎn)品拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)源頭改善制造工藝局限性，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的一體化。

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)可以依據(jù)材料屬性、約束條件及載荷工況，在給定設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求材料最佳分布形式與最優(yōu)承力路徑，實(shí)現(xiàn)高性能輕量化設(shè)計(jì)。金屬增材制造技術(shù)基于高能束熱源，采用快速熔化與逐層疊加的成形方式，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜拓?fù)錁?gòu)型的快速原型制造與實(shí)體自由制造。將拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與金屬增材制造結(jié)合，歸納了基于單元網(wǎng)格與邊界演化的拓?fù)鋬?yōu)化方法在改善結(jié)構(gòu)連續(xù)性與可制造性方面的有效措施，總結(jié)了考慮金屬增材制造幾何尺寸約束、成形約束及材料性能約束的拓?fù)鋬?yōu)化方法，為學(xué)者們進(jìn)一步研究面向金屬增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

考慮最小尺寸約束的拓?fù)鋬?yōu)化：（a）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)變量與投影函數(shù) ；（b）魯棒公式 ；（c）空間梯度算子 ；（d）骨架提取與最小特征優(yōu)化

MBB 梁自支撐優(yōu)化：a）懸垂投影約束；b）優(yōu)化懸垂角度與打印方向；c）多邊形特征孔；d）非線性虛擬溫度場(chǎng)

考慮連通性約束的拓?fù)鋬?yōu)化：a）虛擬溫度場(chǎng)；b）最短連接隧道；c）邊約束；d）應(yīng)力最小化

考慮材料各向異性的拓?fù)鋬?yōu)化：a）強(qiáng)度各向異性 ；b）量化增材制造工藝參數(shù)

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)存在設(shè)計(jì)變量巨大、計(jì)算效率較低、求解困難、弱收斂等不足，現(xiàn)有拓?fù)鋬?yōu)化算法往往難以輸出可直接應(yīng)用于增材制造的結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)解，學(xué)者們往往基于最優(yōu)拓?fù)錁?gòu)型進(jìn)行二次簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，損失了結(jié)構(gòu)性能。因此，結(jié)合并行計(jì)算技術(shù)，開(kāi)展設(shè)計(jì)變量較少、收斂性較好的算法研究以輸出可直接應(yīng)用于增材制造的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

宏觀拓?fù)鋬?yōu)化與微觀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)研究日趨完善，將宏觀拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與微觀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)有效融合，建立多尺度結(jié)構(gòu)之間的高度銜接性，充分利用拓?fù)鋬?yōu)化的高性能構(gòu)型及增材制造提供的廣闊設(shè)計(jì)空間，追求高性能的輕量化設(shè)計(jì)具有廣闊發(fā)展前景。

考慮金屬增材制造約束的拓?fù)鋬?yōu)化方法采用較為理想的材料模型，與金屬增材制造技術(shù)實(shí)際打印過(guò)程存在一定的差異，因此，通過(guò)建立多元工藝參數(shù)下的材料各向異性精準(zhǔn)拓?fù)淠Ｐ停炕饘僭霾闹圃煸O(shè)備工藝參數(shù)，模擬金屬增材制造加工過(guò)程及預(yù)測(cè)零件翹曲變形與開(kāi)裂，可有效減少殘余應(yīng)力與變形，改善成形精度與表面質(zhì)量。

面向金屬增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化往往是基于單一材料的優(yōu)化，將多材料、拓?fù)鋬?yōu)化及金屬增材制造有效結(jié)合，研究功能梯度材料的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與金屬增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)、工藝、性能一體化設(shè)計(jì)，是追求高性能、多功能、輕量化的又一突破點(diǎn)。

文章來(lái)源： 增材制造技術(shù)前沿