點陣優化
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點陣優化的視頻教程
不懂CAE的工程師如何設計出力學性能更好的結構？
】 課程內容： 1.PolyNURBS 建模 2.點陣結構優化 3.保存和導出文件 4.實例分析 課后CAE交流群：472335762 ，課后可參與抽獎，贏定制禮品。
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點陣優化的實例教程
本文工作中，在對點陣結構進行優化設計時，應用到了一種文獻中提到的方法移動閾值切面法（MIST 方法），基于 MIST 方法提出了點陣結構的尺寸優化算法。因此，本小節對 MIST 方法作簡要介紹。MIST 方法是仝立勇教授等在 2014 年提出的一種新的拓撲優化方法。MIST 方法通過定義一種目標函數的近似響應函數來判斷設計變量的更新方向（變大或變?。┒粡娬{不同變量之間更新步長的差異。已經證明，對于一系列結構設計，MIST 方法可以在無需顯式靈敏度分析的條件下生成結構的最優拓撲。此外，該算法易于實現，并且可以與商業有限元軟件結合而無需對軟件源代碼進行任何修改。本小節后續部分將對 MIST 方法的具體過程作詳細介紹。
MIST 方法是一種新提出的拓撲優化方法，通常用來解決公式（3. 1）所示的優化問題。MIST 方法的目標是尋求變量 x 和 t 的合適值使得目標函數（例如整體結構應變能）的響應值最小。MIST 方法的核心思想是在設計域上張起一張積分形式響應函數（應力、應變等的函數）的響應面，然后用一個可移動的水平面去切割目標函數響應面，水平上方的區域為實體材料區域，水平面下方的區域為孔洞材料區域，兩個面的交界輪廓就演變成了拓撲結構的邊界。水平平面對應的目標值 t 取決于體積約束，如果當前迭代步的實體材料過多則增加 t 的數值使水平面向上移動，反之則降低 t 的數值使水平面向下移動，t 在每一步迭代步中的具體數值可以通過二分法等方式計算得到。與 SIMP 方法中的密度類似，MIST 方法定義了一種體積權重值來描述材料種類，體積權重為 1 表示實體材料，提及權重為 0 表示孔洞材料。
展開 在先進工程設計中，拓撲優化和點陣結構經常會被同時考慮。近年來，以nTopology為代表的場驅動設計概念使工程師能夠實現更高的設計自由度。然而，如何正確使用各種場驅動設計方法卻尚無定論。
基于面的點陣結構（如gyroids和其他TPMS結構）具有較高的比剛度，且非常適合增材制造工藝。此外，點陣結構還具有許多其他的性能優勢，如較高的換熱系數、較好的減震性能和易于控制的剛度。
利用點陣結構的這些優勢，我們可以設計出比傳統拓撲優化更優的部件。由于目前還沒有太多文獻清晰并定量地描述點陣結構的功能優勢，本文介紹了一種優化點陣結構剛度的方法。
拓撲優化和點陣結構相結合的設計可以使零部件具有更高附加值。在本文中，雅馬哈電機的研發工程師長本弘治介紹了如何有效地使用這兩種先進的工程設計技術，并通過展示一些簡單的例子闡述在實際設計和制造過程中應考慮的因素。
點陣結構分析工具
隨著增材制造領域中3D打印技術的快速發展，增材點陣結構在航天航空、船舶、汽車、體育和醫療等行業得到了廣泛應用，點陣結構作為一種新型的結構設計，除輕量化特點外，同時還具有優良的比剛度/強度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點。
點陣結構及其應用
由于點陣含有大量復雜的微觀結構，包括胞元類型和幾何尺寸等參數，導致仿真計算工作量巨大，傳統有限元分析已經無法適用。因此，經過多年的仿真計算積累和努力探索，安世亞太自主開發了一款專業用于增材點陣結構仿真分析的軟件，即Lattice Simulation。
Lattice Simulation是一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式，已集成在ANSYS add-in擴展工具中。
展開 模型的載荷設置
將用于進行胞元拓撲優化的原體中心置于坐標系原點，并施以關于三個坐標平面的對稱約束，優化設置的目標函數是應變能，使其最小化，約束為體積響應，使其最終小于等于10%的初始體積。
胞元優化結果
Abaqus可以按照最佳傳力路徑布置材料，從而優化出胞元結構，我們可以將優化后的結構導出，用于二次設計或有限元分析。
通過ATOM優化的點陣結構
行業：文化創意，3D 打印
挑戰：外觀需要簡潔優美，適合 3D 打印，同時要求體現 3D 打印結構設計與優化的元 素。
Altair 解決方案：使用 Inspire Studio 進行外觀造型的 計 ， 使用 Inspire Structure設計Lattice 點陣結構。
優點：二維素材導入快速生成三維模型 ； 高效方便的外觀造型建立和調整； 復雜點陣結構生成
背景介紹
中國商飛公司于 2018 年珠海航展期間舉辦了“第一屆中國商飛 3D 打印結構優化設計大賽”，大賽聯合行業科研機構、高校、知名企業共同舉辦。以促進 3D 打印技術在民用飛機中的應用為目標，探索 3D 打印優化設計方法，推動 3D 打印技術的進步。大賽頒獎現場需要為獲獎選手頒發獎杯，獎杯設計需要突出 3D 打印特點， 融入結構優化的元素，獎杯對應比賽結果，具有高度定制化的特點。
挑戰
由于獎杯是高度定制化的產品，需要通過 3D 打印的方式實現，同時獎杯的設計又要體現3D打印技術復雜定制化的特點。在設計的時候既要考慮定制部分的設計時間，又要充分利用和體現 3D 打印的工藝特點。 最終打印的獎杯要進行后續處理，工藝的選擇和后續的處理方式在設計之初需要進行考量。
“《翱翔藍天》，靈感來自盤旋而上的祥云，寓意國產大飛機翱翔 藍天。獎杯使用solidThinking設計渲染，頂部為logo、比賽名稱、獲 獎名次和獲獎人員姓名等信息，體現了3D打印的整體化、個性化設計 思路。”
展開 4.優化結果
5.分析結果：應力符合要求。
6.利用Inspire自帶的三維建模功能PolyNurbs對模型進行重建。
7.把構建好的模型導到Inspire Studio進行概念設計，該設計采用“天柔地剛”的理念，電腦支撐板結構通過Inspire設計所得，同時采用PolyNurbs對模型重建，在視覺上會呈現不規則但顯柔性美，支架底板通過使用Inspire Studio推敲設計，多虧完整的結構歷史進程，可對模型任意修改且能快速得到想要的結果。底板呈規則形狀，同時為了達到對稱，底板的正前方缺失的一塊也與電腦支撐版正前方空缺的部分相應。
8.對構建好的模型增加散熱裝置，小編在網上購買了如下圖的散熱小風扇。
9.為了安裝方便，直接套入小風扇盒子。
10.如上圖所示，盒子為半封閉狀態，如何解決抽風問題？由于Inspire 自帶點陣優化功能，可通過點陣優化獲取強度合適的抽風孔。對模型賦予邊界條件：
優化結果如下：
對整體模型進行分析：
模型符合力學性能。
最后通過Inspire Studio渲染所得：
最后一步，把模型發給打印商報價，如圖：
PPT產品，扼殺于搖籃中。
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Mechanical中已逐步集成了參數研究、拓撲優化、點陣優化和形狀優化等多種不同的優化技術。在2023 R1版本中，我們推出了一項被稱為形貌優化的新功能。
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在滿足性能的前提下，可選擇任意輕量化設計方法，包括但不限于：拓撲優化、點陣結構、蜂窩結構、仿生結構。
表1 鋁合金性能
拓撲優化設計
拓撲優化基于已知的設計空間和工況條件以及設計約束，確定剛度最大、質量最小的設計方案。它通過計算材料內的最佳傳力路徑，最終獲得具有最佳材料分布的優化結果。
點陣優化：Altair OptiStruct 和 Altair Inspire 都可以根據不同的載荷條件生成點陣(Lattice)，支持優化成點陣和實體相結合的結構。Altair Inspire 可以將點陣(Lattice)結構導出 stl 格式的文件用以直接打印。
拓撲優化：“拓撲優化”技術可以彌補設計能力與增材制造潛力之間的鴻溝。
用戶可通過內置的增材制造約束條件實現拓撲優化和點陣設計，并可采用固有應變或熱固耦合方式預測零件變形和應力的預測。支持非線性和依賴溫度的材料屬性，和自定義后處理流程，從而設計出可以精確打印的零件、減少試錯實驗并加速制造過程。新增的設備工作文件的讀取，可以得到基于工作路徑的仿真結果。
以最常見的拓撲優化和點陣結構為例
用戶可通過內置的增材制造約束條件實現拓撲優化和點陣設計，并可采用固有應變或熱固耦合方式預測零件變形和應力的預測。支持非線性和依賴溫度的材料屬性，和自定義后處理流程，從而設計出可以精確打印的零件、減少試錯實驗并加速制造過程。新增的設備工作文件的讀取，可以得到基于工作路徑的仿真結果。
