航空航天工業(yè)是對零部件質(zhì)量和可靠性要求最高的行業(yè)之一。利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)高科技零部件的潛力巨大。這種新工藝提供了創(chuàng)造新型設(shè)計的機會，這些設(shè)計以功能為導(dǎo)向，具有優(yōu)化和面向目的的幾何形狀。

面臨挑戰(zhàn)

MSC Apex Generative Design的以功能為導(dǎo)向的組件優(yōu)化誕生于帕德博恩大學(xué)直接制造研究中心與工業(yè)合作伙伴的一個研究項目。為重新設(shè)計優(yōu)化項目確定并選擇了一個航空航天支架。現(xiàn)有的設(shè)計需要一個由兩部分組成的組件，其中每個組件由實心鋁塊銑削而成，并用幾個鉚釘連接。但這種制造工藝在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量廢棄物。

解決方案

MSC Apex Generative Design使設(shè)計項目能夠?qū)蓚€部分減少為一個部分，并將最大應(yīng)力減少一半。

圖1（從左到右）：傳統(tǒng)支架由兩部分組成，使用設(shè)計空間（綠色可見）和非設(shè)計空間（紅色可見）重新設(shè)計成一部分。

原始零件的幾何形狀被用作優(yōu)化過程的起點，以定義優(yōu)化引擎將使用的設(shè)計空間。圖1中所示的原始設(shè)計（深綠色和深紅色組件）被連接在一起，形成了一個單一的設(shè)計空間。支架組件需要五個連接點（如圖1中橙色所示）才能安裝到飛機上。優(yōu)化設(shè)計需要滿足的一組設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)包括設(shè)計和非設(shè)計空間、連接點、材料特性和結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范。

標(biāo)準(zhǔn)拓撲優(yōu)化軟件追求質(zhì)量減輕或剛度增加等優(yōu)化目標(biāo)，但MSC Apex Generative Design在創(chuàng)建最佳輕量化設(shè)計的同時使用了明確定義的最大應(yīng)力目標(biāo)。在優(yōu)化過程中，從設(shè)計空間中刪除不重要的元素，從而在每次迭代中都能得到幾何外形和機械性能良好的幾何形狀。由于這一創(chuàng)新，不再需要手動將優(yōu)化結(jié)果轉(zhuǎn)換成CAD幾何，從而在優(yōu)化過程中節(jié)省了大量時間。

在該組件的優(yōu)化過程中，生成了三個候選設(shè)計(圖2)來應(yīng)對挑戰(zhàn)。這三個候選設(shè)計代表了MSC Apex Generative Design中可用的三種不同算法—稀疏、中等和密集—參考了三種可用的優(yōu)化選項。這三種設(shè)計方案最終在重量上只相差幾克，與原始設(shè)計相比，這三種設(shè)計方案的總重量減少了63%。每個設(shè)計方案都需要不同數(shù)量的飛機結(jié)構(gòu)附著點，在稀疏設(shè)計中只需要3個附著點，在中等設(shè)計中需要4個附著點，而在密集設(shè)計中則使用了所有原始的5個附著點。由于用戶希望盡可能均勻地分配負載傳遞，因此最終選擇了具有四個附著點的“中等”設(shè)計方案。

圖2:三種不同的設(shè)計方案(從左到右)：稀疏，中等，密集，使用MSC Apex Generative Design求解器中的三種不同設(shè)置。主要區(qū)別在于附著點的數(shù)量(稀疏有3個，中等有4個，密集有5個)。方案B(中等)最終被選為最終設(shè)計方案。

驗證效果

為了驗證該組件及其在飛機中的使用，對該組件施加了靜態(tài)和動態(tài)載荷。帕德博恩大學(xué)的工程師模擬了不同的加載條件，并使用Von Mises應(yīng)力和模型變形來確定零件的強度，以及最終設(shè)計的最終有效性。與傳統(tǒng)設(shè)計的支架相比，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)變得更加堅固。對于負載工況1，它現(xiàn)在可以承受三倍的負載，對于負載工況2，它可以承受2.1倍的負載。最終設(shè)計的最大應(yīng)力為原設(shè)計的45%，最終設(shè)計的最大變形為原設(shè)計的70%。

圖3:最終設(shè)計的Von Mises應(yīng)力和變形圖(歸一化到原支架的仿真結(jié)果)。最終設(shè)計的最大應(yīng)力為原設(shè)計的45%，最終設(shè)計的最大變形為原設(shè)計的70%。

物理試驗及結(jié)論

新設(shè)計的部件能夠承受飛機上的載荷條件，該部件安裝在拉伸試驗機上，并施加了原始部件設(shè)計的最大載荷。優(yōu)化后的組件順利通過了這一加載條件，沒有任何缺陷，最終能夠承受其設(shè)計載荷的225%，這證明了優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)有效性。

帕德博恩大學(xué)的研究人員表明，不僅兩部分組件被一個單獨的部件所取代，而且與原始設(shè)計相比，最終的設(shè)計重量減輕了63%，最大應(yīng)力降低了55%。此外，意外的是，最終獲得的優(yōu)化零件，只需要五個原始附著點中的四個。MSC Apex Generative Design最大的優(yōu)勢之一是創(chuàng)新、易于使用的界面，不需要有限元建模（FEM）專家即可完成優(yōu)化設(shè)計。

圖4：該航空支架的優(yōu)化設(shè)計使其重量減輕了63%

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