輕量化、拓?fù)?、optistruct的案例
基于optistruct的支架拓?fù)?/em>優(yōu)化暨輕量化設(shè)計(jì)
6）選擇optistruct求解器求解上述優(yōu)化模型，結(jié)果可進(jìn)入hyperview查看，拓?fù)?/em>優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。
3.結(jié)果處理
拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)空間表明，優(yōu)化效果較為明顯，但顯然優(yōu)化后的結(jié)果并不符合可制造原則，為此結(jié)合現(xiàn)有零件特點(diǎn)和加工工藝，得出改進(jìn)后的輕量化設(shè)計(jì)方案如圖5所示，有限元分析結(jié)果表明（如圖6所示），優(yōu)化后的零件性能仍保持不變，但質(zhì)量降低6Kg，優(yōu)化效果顯著。
OptiStruct 拓?fù)?/em>優(yōu)化與激光增材制造的完美結(jié)合挖掘輕量化結(jié)構(gòu)的新潛力
即使是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也幾乎不需要額外的制造工作，并且拓?fù)?/em>優(yōu)化的結(jié)果可根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合很好地進(jìn)行調(diào)整，使其與自然示例相符。作為主要研究成果之外的副產(chǎn)品，Kranz還分析了仿生學(xué)等其他設(shè)計(jì)方案，對(duì)其進(jìn)行了歸類并創(chuàng)建了指導(dǎo)準(zhǔn)則和數(shù)據(jù)庫(kù)，旨在幫助未來(lái)的用戶充分挖掘輕量化結(jié)構(gòu)的潛力。
從 TiLight 項(xiàng)目一開(kāi)始，LZN 就使用 Altair HyperWorks 作為主要工具。HyperWorks 是一種用于仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的領(lǐng)先設(shè)計(jì)解決方案，開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在部件概念設(shè)計(jì)階段會(huì)采用 CAE 工具。這種解決方案提供了面向建模、分析、優(yōu)化、可視化、報(bào)表及數(shù)據(jù)管理的集成解決方案。在仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先采用HyperWorks套件優(yōu)化工具OptiStruct基于可用設(shè)計(jì)空間、產(chǎn)生的負(fù)荷和其他邊界條件執(zhí)行優(yōu)化。根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合，可先對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行研究并更改邊界條件，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋，然后選出最適合激光增材制造的各種設(shè)計(jì)方案。此外，如果可行，所創(chuàng)建的設(shè)計(jì)方案可由生物示例進(jìn)行補(bǔ)充。隨后借助 CAD 工具對(duì)提出的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，并采用OptiStruct 對(duì)最終設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。
拓?fù)?/em>優(yōu)化工程師能夠構(gòu)建更輕、載重效率更高的設(shè)計(jì)，僅在需要的位置應(yīng)用材料。
“為了開(kāi)發(fā)出采用輕量化設(shè)計(jì)的新型支架，我們?cè)诖_定結(jié)構(gòu)時(shí)首先進(jìn)行了拓?fù)?/em>優(yōu)化，”Jannis Kranz 解釋道。 在確定了規(guī)格并定義了所需的連接點(diǎn)之后，優(yōu)化后的幾何結(jié)構(gòu)即為基本機(jī)構(gòu)，供后續(xù)步驟進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整?；谶@些技術(shù)數(shù)據(jù)，我們找到了能夠起到補(bǔ)充作用的生物示例。在流程的后續(xù)步驟中，只要在 CAD 中得出設(shè)計(jì)方案，我們就會(huì)利用Altair OptiStruct等工具再次對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
展開(kāi) 基于拓?fù)?/em>優(yōu)化的壓縮機(jī)支架輕量化分析
將輕量化壓縮機(jī)支架方案安裝在實(shí)車上，在某國(guó)家試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行整車道路耐久9000km壞路試驗(yàn)，且順利通過(guò)道路耐久試驗(yàn)。通過(guò)上述三項(xiàng)試驗(yàn)，最終驗(yàn)證：該拓?fù)?/em>優(yōu)化輕量化方案的壓縮機(jī)支架滿足模態(tài)、強(qiáng)度和耐久疲勞的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。
4 結(jié)論
基于Optistruct拓?fù)?/em>優(yōu)化分析，在滿足模態(tài)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下，對(duì)壓縮機(jī)支架進(jìn)行輕量化，使得壓縮機(jī)支架的重量由原方案的1.284kg降低到0.586kg，實(shí)現(xiàn)重量54.4%的輕量化，且通過(guò)錘擊模態(tài)測(cè)試、臺(tái)架隨機(jī)振動(dòng)和道路耐久三項(xiàng)試驗(yàn)。通過(guò)壓縮機(jī)拓?fù)?/em>優(yōu)化輕量化分析，可得如下結(jié)論：
（1）為避免共振或耦合，壓縮機(jī)一階模態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)值建議大于發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，在模態(tài)分析過(guò)程中需預(yù)留一定安全系數(shù)，故壓縮機(jī)分析一階模態(tài)目標(biāo)值設(shè)為240Hz。
（2）進(jìn)行拓?fù)?/em>優(yōu)化輕量化分析優(yōu)化時(shí)，單元網(wǎng)格尺寸和懲罰因?qū)τ?em>拓?fù)?/em>優(yōu)化結(jié)果有重要影響，在拓?fù)?/em>優(yōu)化中需合理設(shè)置參數(shù)。（3）該壓縮機(jī)支架的拓?fù)?/em>優(yōu)化輕量化分析方法和參數(shù)設(shè)置對(duì)今后汽車零部件的輕量化提供很好的技術(shù)路線和借鑒意義。
參考文獻(xiàn)：
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展開(kāi) 大學(xué)生方程式賽車借助OptiStruct 實(shí)現(xiàn)輕量化和燃料效率最大化
解決方案
作為Altair HyperWorks仿真軟件的現(xiàn)有用戶，DUEM團(tuán)隊(duì)把目光投向了OptiStruct軟件，希望借其之力應(yīng)對(duì)這項(xiàng)挑戰(zhàn)。 OptiStruct是Altair HyperWorks CAE軟件中提供的一款設(shè)計(jì)工具。OptiStruct可在設(shè)計(jì)過(guò)程早期利用拓?fù)?/em>優(yōu)化方法預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的最佳形態(tài)，為依靠分析帶動(dòng)的設(shè)計(jì)流程提供了極大便利，使設(shè)計(jì)人員可以在更短的設(shè)計(jì)周期內(nèi)完成更高效的設(shè)計(jì)。
隨著設(shè)計(jì)流程往前推進(jìn)，OptiStruct通過(guò)強(qiáng)大的形態(tài)和尺寸優(yōu)化功能來(lái)進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)性能。OptiStruct采用極為先進(jìn)的優(yōu)化算法，可以在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)數(shù)千種設(shè)計(jì)變量解決最為復(fù)雜的優(yōu)化難題。
設(shè)計(jì)區(qū)域被導(dǎo)入OptiStruct并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。施加的荷載工況采用2g的顛簸加速度、1.6g的過(guò)彎加速度、1.6g的制動(dòng)加速度，并對(duì)制動(dòng)、顛簸和過(guò)彎等荷載工況進(jìn)行組合。另外還施加了拔模方向等制造約束，從而確保最終的設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)于制造過(guò)程可行且合理。
在不同的剛度目標(biāo)和應(yīng)力約束下得到了不同的結(jié)果，這時(shí)，便需要通過(guò)進(jìn)行一系列仿真來(lái)研究所建議的幾何解決方案 如何隨著這些目標(biāo)而變化。圖1中的拓?fù)?/em>優(yōu)化結(jié)果顯示了未施加拔模方向約束的模型，而圖2顯示的是施加了制造約束的模型。高密度構(gòu)件顯示為紅色，表示如果可行區(qū)域進(jìn)一步延伸至該空間，則結(jié)果更佳。這通過(guò)將制動(dòng)盤(pán)進(jìn)一步向外移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)減小應(yīng)力。
OptiStruct縮短了CAE-CAD迭代的整體設(shè)計(jì)周期，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)改進(jìn)。它所提供的優(yōu)化解決方案通過(guò)單次分析便會(huì)將多種荷載情形計(jì)入在內(nèi)。
通過(guò)四面體網(wǎng)格算法可以快速完成網(wǎng)格劃分，而無(wú)需經(jīng)過(guò)一個(gè)全面徹底又耗時(shí)的過(guò)程。構(gòu)件質(zhì)量檢驗(yàn)功能易于使用， 可幫助確保所獲得結(jié)果的有效性。而通過(guò)邊緣檢驗(yàn)器還可以驗(yàn)證拓?fù)?/em>結(jié)果中是否出現(xiàn)內(nèi)部空洞。
展開(kāi) 
輕量化及拓?fù)?/em>優(yōu)化軟件GENESIS介紹（一）
GENESIS是一個(gè)將有限元求解器和高級(jí)優(yōu)化算法集于一體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，主要用于結(jié)構(gòu)輕量化和拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)計(jì)。用戶可以直接使用ANSYS、Nastran、Abaqus等有限元軟件的網(wǎng)格模型和載荷工況來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
GENESIS提供了豐富的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，包括拓?fù)?/em>優(yōu)化、形狀優(yōu)化，尺寸優(yōu)化，形貌優(yōu)化，自由尺寸優(yōu)化和自由形狀優(yōu)化等，并支持混合優(yōu)化。
GENESIS優(yōu)化模型的構(gòu)建是基于高級(jí)近似概念方法，可以非?？焖倏煽康剡M(jìn)行優(yōu)化迭代，以獲得更快、最優(yōu)的設(shè)計(jì)。其優(yōu)化算法中采用了著名的的優(yōu)化算法包DOT和BIGDOT，計(jì)算效率更高，所需優(yōu)化迭代次數(shù)更少。
1
軟件功能特色
專門(mén)提供針對(duì)ANSYS、Abaqus、Creo、Solidworks的集成模塊，可直接集成在以上軟件中使用，無(wú)需多余的軟件操作學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。相比其他軟件，GENESIS只需很少的迭代次數(shù)，即可提供更好的優(yōu)化效果。提供了全面的拓?fù)?/em>、形狀，尺寸，自有尺寸，形貌和自由形狀優(yōu)化功能。提供SMS特征值求解器的求解速度是傳統(tǒng)Lanczos方法的2-10倍。SMS能夠求解超過(guò)2000萬(wàn)自由度的問(wèn)題。提供BIGDOT優(yōu)化算法，可以求解超過(guò)300萬(wàn)個(gè)設(shè)計(jì)變量的大規(guī)模優(yōu)化模型。內(nèi)置了快速，可靠，準(zhǔn)確的有限元分析，優(yōu)化效率更高?？芍С终{(diào)用ANSYS、DYNA等外部軟件作為求解器，擴(kuò)展求解性能。
展開(kāi) 拓?fù)?/em>優(yōu)化動(dòng)力電池輕量化箱體設(shè)計(jì)
Keys: Topology optimization; power battery pack;light weight design; modal analysis; OptiStruct
0前言
動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車關(guān)鍵重要部件，是電動(dòng)汽車能量?jī)?chǔ)藏的載體。目前動(dòng)力電池系統(tǒng)重量整車占比30%以上，而整車重量與動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)密切相關(guān)，最終影響電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，提高整車輕量化水平是非常重要的方向[1]；作為整車的一部分，電池系統(tǒng)在增加電池能量及基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化處理，是延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的重要舉措。整車及動(dòng)力電池箱體設(shè)計(jì)早期多采用普通鋼材設(shè)計(jì)，以得到更好的結(jié)構(gòu)耐久及防撞性能；隨著節(jié)能環(huán)保概念深入人心，高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等的應(yīng)用在汽車行業(yè)應(yīng)用范圍越來(lái)越高[2]。隨著電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展，在保證一定振動(dòng)疲勞及安全性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)成為技術(shù)發(fā)展主要方向，鋁合金在電池箱體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用引起廣泛重視。
拓?fù)?/em>優(yōu)化（topologyoptimization）是基于既定負(fù)載、約束和目標(biāo)，在設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)對(duì)空間材料分布進(jìn)行優(yōu)化的一種數(shù)學(xué)方法。1904年Michell在桁架理論中首次提出了拓?fù)?/em>優(yōu)化的概念，基于CAE仿真技術(shù)發(fā)展越來(lái)越多應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用該優(yōu)化技術(shù)對(duì)客車車身骨架、汽車吸能結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究，取得較好輕量化成果[3-6]。動(dòng)力電池箱體作為承載電池單體或模組的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受沖擊碰撞破壞、保證電池系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要作用；但同時(shí)箱體本身并不是能量?jī)?chǔ)藏部件，需要盡量輕量化以降低電池系統(tǒng)的重量。使用拓?fù)?/em>優(yōu)化技術(shù)可為電池箱體輕量化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)方向指導(dǎo)，對(duì)電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。
展開(kāi) 流量計(jì)輕量化拓?fù)?/em>優(yōu)化方案
1 優(yōu)化目標(biāo)
需求提升流量計(jì)結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)要求質(zhì)量最輕，并綜合加工工藝及制造成本，提出創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
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流量計(jì)輕量化--拓?fù)?/em>優(yōu)化方案.docx
輕量化及拓?fù)?/em>優(yōu)化軟件GENESI介紹（二）
(2)GSAM集成于ANSYS的優(yōu)化工具
軟件概述
GSAM(GENESIS for ANSYS Mechanical)將GENESIS的拓?fù)?/em>優(yōu)化及其他優(yōu)化功能集成到ANSYS workbench環(huán)境中。設(shè)計(jì)者可以在一個(gè)可靠，魯棒且易于應(yīng)用的界面下自動(dòng)的獲取創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
完全的ANSYS Workbench界面及操作風(fēng)格
GSAM將拓?fù)?/em>優(yōu)化集成到ANSYS Workbench環(huán)境當(dāng)中，與ANSYS諸多分析模塊集成使用。GSAM與ANSYS Mechanical高度集成，通過(guò)共享模型數(shù)據(jù)來(lái)將GENESIS分析系統(tǒng)添加到ANSYS Workbench當(dāng)中，在ANSYS Mechanical中通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具條定義拓?fù)?/em>優(yōu)化數(shù)據(jù)，并進(jìn)行求解后處理。
采用業(yè)界領(lǐng)先的GENESIS求解器進(jìn)行計(jì)算
GSAM求解器完全采用GENESIS的優(yōu)化求解器。設(shè)計(jì)優(yōu)化基于高級(jí)近似概念方法，從而快速可靠的獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)。優(yōu)化算法使用VR&D著名的優(yōu)化軟件工具DOT和BIGDOT，具有多目標(biāo)，多工況以及混合優(yōu)化的功能。
BIGDOT可以求解超過(guò)300萬(wàn)個(gè)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化問(wèn)題。在計(jì)算規(guī)模日益增大的今天，BIGDOT可以幫用戶解決更為復(fù)雜龐大的優(yōu)化問(wèn)題。
GENESIS的正則模態(tài)分析使用快速特征值求解器SMS，其求解速度是傳統(tǒng)Lanczos方法的2-10倍。計(jì)算規(guī)模越大，SMS的優(yōu)勢(shì)越明顯。
支持多種分析類型
GTAM拓?fù)?/em>優(yōu)化分析支持多種分析類型，包括線性靜力分析、慣性釋放、正則模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析、屈曲分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、非線性接觸分析等。GTAM均可以和workbench中的以上分析模塊建立無(wú)縫連接，此外GTAM還可以支持多步分析系統(tǒng)和多工況分析，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)?/em>優(yōu)化分析。
展開(kāi) 大學(xué)生方程式賽車借助OptiStruct 實(shí)現(xiàn)輕量化和燃料效率最大化
車輛越輕，其加速和操控性能就會(huì)越好，而且還會(huì)提高燃油效率。
杜倫大學(xué)電動(dòng)賽車團(tuán)隊(duì)(DUEM)是一支英國(guó)隊(duì)伍，由一群擅長(zhǎng)設(shè)計(jì)、裝配和駕 駛電動(dòng)賽車的學(xué)生組成。該隊(duì)伍從工程系所有年級(jí)吸納了具有不同經(jīng)驗(yàn)水平的成員。為參加車賽，學(xué)生們自發(fā)利用課外時(shí)間從事相關(guān)項(xiàng)目和技術(shù)工作。
這支隊(duì)伍計(jì)劃憑借全碳纖維單體式車殼和創(chuàng)新式空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)參加2015年 世界太陽(yáng)能汽車挑戰(zhàn)賽。在報(bào)名參加英國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽和世界太陽(yáng)能汽車 挑戰(zhàn)賽之后，DUEM正在著手設(shè)計(jì)和裝配其首款1級(jí)大學(xué)生方程式賽車，這款賽車 于2014年夏季亮相銀石賽道。該車將完全依靠電力驅(qū)動(dòng)，并配備鋼制空間管陣式車 架、碳纖維車身和LiPO4電池，同時(shí)使用業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的空氣動(dòng)力學(xué)軟件降低風(fēng)阻。 DUEM 車隊(duì)對(duì)自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)十分自豪。
挑戰(zhàn)
DUEM希望在該項(xiàng)目中展示出他們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)優(yōu)化立柱設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)多個(gè)荷載工況，從而憑借最新的輕量化技術(shù)來(lái)提高賽 車效率和速度。
優(yōu)化立柱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多種荷載工況，包括顛簸、過(guò)彎、制動(dòng)和加速等荷載。要達(dá)到優(yōu)秀 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，降低簧下重量非常關(guān)鍵。立柱是汽車上的"重磅角色"，減少它的質(zhì)量不僅可以提高車輛的直線加速能力，還能夠改善過(guò)彎能力和防滑性。而要想實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器、軸承和輪輞中其它組件的有效組裝，幾何要素就顯得尤為重要了。如果從車輛安全角度出發(fā)，一旦懸掛系統(tǒng)發(fā)生故障，后果是很嚴(yán)重的。此外還要保證必要的剛度，這樣才能確保操控性良好，而且所有運(yùn)動(dòng)部件都能夠高效運(yùn)轉(zhuǎn)。
針對(duì)多個(gè)荷載工況的傳統(tǒng)迭代設(shè)計(jì)方法是，在每次迭代中都去除低應(yīng)力部分，但這通常都會(huì)很耗時(shí)。原始組件的設(shè)計(jì)花費(fèi)了數(shù)周時(shí)間，而最終的解決方案卻在結(jié)構(gòu)效率方面差強(qiáng)人意。
展開(kāi) 某航空部件基于拓?fù)?/em>優(yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)
面對(duì)更高的燃油效率壓力，航空輕量化材料和技術(shù)一直是航空制造商們關(guān)心的話題，輕金屬更替及復(fù)合材料研發(fā)及應(yīng)用也日漸成熟。高性能航空航天結(jié)構(gòu)材料對(duì)于降低結(jié)構(gòu)重量和提高飛行器的結(jié)構(gòu)效率、服役可靠性及延長(zhǎng)壽命發(fā)揮著尤為重要的作用。今天我們針對(duì)航空工業(yè)中的某一零部件基于拓?fù)?/em>優(yōu)化設(shè)做了它的輕量化設(shè)計(jì)。
一、概念設(shè)計(jì)思路
二、詳細(xì)設(shè)計(jì)思路
1、優(yōu)化區(qū)域
其中黃色的部分為優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域，綠的的部分為貼近實(shí)際的受載情況建立的底部工裝。
2、靜力分析
給加載力結(jié)構(gòu)一個(gè)向下為10N/mm3的壓力，底盤(pán)底部固定約束，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，得到結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力云圖，如下所示。最大位移為0.5156mm和31.35MPa。
3、拓?fù)?/em>優(yōu)化
4、模型重建
三、靜力校核
為得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，分別將兩種結(jié)構(gòu)形式在HyperWorks中進(jìn)行靜力分析，為更加貼近真實(shí)受載工況，分別建立加載結(jié)構(gòu)和底部工裝，并施加接觸約束。
下圖為兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖，載荷為1500N。
由應(yīng)力圖可以看出：八腿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較小，且應(yīng)力分布比較均勻，可使結(jié)構(gòu)均勻受力，材料利用率最大化。
下圖為兩種結(jié)構(gòu)的位移圖，載荷為1500N。
由應(yīng)力圖可知：四腳結(jié)構(gòu)與八腳結(jié)構(gòu)位移相差不大，均未超過(guò)材料的延伸率范圍。
綜上：選取八腳結(jié)構(gòu)為最終結(jié)構(gòu)，接下來(lái)進(jìn)行詳細(xì)改進(jìn)設(shè)計(jì)。
分別將兩種結(jié)構(gòu)形式3D打印，對(duì)兩種模型進(jìn)行實(shí)際加載分析。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：八腳結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力優(yōu)于四腳結(jié)構(gòu)。
綜上：選取八腳結(jié)構(gòu)為最終結(jié)構(gòu)，接下來(lái)進(jìn)行詳細(xì)改進(jìn)設(shè)計(jì)，以建立最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型。
四、最優(yōu)模型
以上就是我們對(duì)于某航空部件基于拓?fù)?/em>優(yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)。有什么問(wèn)題，歡迎大家提出來(lái)進(jìn)行交流，謝謝大家。
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展開(kāi) ANSYS Topology Optimization拓?fù)?/em>優(yōu)化技術(shù)在輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用概述
產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)初期，單純的憑借經(jīng)驗(yàn)以及想象對(duì)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)往往是不夠的，在適當(dāng)約束條件下，如果能充分利用“拓?fù)?/em>優(yōu)化技術(shù)”進(jìn)行分析，并結(jié)合豐富的產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，是有能力設(shè)計(jì)出更滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)技術(shù)方案、工藝要求、而且更質(zhì)輕質(zhì)優(yōu)的產(chǎn)品的。
拓?fù)?/em>優(yōu)化主要思想是尋求一種能夠根據(jù)給定負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在指定區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)系統(tǒng)材料發(fā)揮最大利用率。
通過(guò)將區(qū)域離散成足夠多的子區(qū)域，借助有限元分析技術(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析或模態(tài)分析等，按照指定優(yōu)化策略和準(zhǔn)則從這些子區(qū)域中刪除一定數(shù)量單元，用保留下來(lái)的單元描述結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)?/em>。
圖1
ANSYS Topology Optimization拓?fù)?/em>優(yōu)化模塊能夠結(jié)合ANSYS Mechanical進(jìn)行強(qiáng)度和頻率兩種分析下的拓?fù)?/em>優(yōu)化分析計(jì)算，強(qiáng)大的SpaceClaim Direct Modeler能夠繼拓?fù)?/em>優(yōu)化之后對(duì)于較為粗陋的刻面片體結(jié)構(gòu)完成光順化處理，STL文件生成直接送入3D增材打印機(jī)進(jìn)行打印滿足輕量化設(shè)計(jì)需求。
同時(shí)SpaceClaim Direct Modeler先進(jìn)強(qiáng)大的建模技術(shù)、修復(fù)技術(shù)能使工程師根據(jù)光順后的外觀進(jìn)行建模重構(gòu)獲得三維造型設(shè)計(jì)，高級(jí)蒙皮功能技術(shù)能夠最大化保留拓?fù)?/em>優(yōu)化結(jié)構(gòu)形貌，這些都極大滿足了復(fù)雜裝配體結(jié)構(gòu)安裝、定位、配合、功能等需求。如圖1所示，為某機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)拓?fù)?/em>優(yōu)化與光順化示例。
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拓?fù)?/em>優(yōu)化與激光增材制造的完美結(jié)合挖掘輕量化結(jié)構(gòu)的新潛力
對(duì)于汽車等其他行業(yè)，由于他們一直嘗試尋找降低質(zhì)量并提高車輛燃油效率的方法，因此對(duì)新型輕量化方案呈現(xiàn)出越來(lái)越濃厚的興趣。
在TiLight項(xiàng)目中，選擇在飛行器中用作標(biāo)準(zhǔn)固定零件的支架作為試驗(yàn)對(duì)象。民航飛機(jī)中使用多達(dá)30000個(gè)支架單元來(lái)固定駕駛艙內(nèi)部系統(tǒng)和駕駛艙其他部件。該研究項(xiàng)目取得的成果使創(chuàng)新型輕量化結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)支架，大大減輕了飛行器重量。
LZN副研究員 Jannis Kranz 深入研究了支架部件能夠付諸生產(chǎn)的設(shè)計(jì)以及后續(xù)的輕量化結(jié)構(gòu)的激光增材制造?？紤]到 TiAl6V4 材料的特點(diǎn)，為激光增材方法開(kāi)發(fā)出了定制的流程鏈，使用 Altair 的優(yōu)化工具 OptiStruct 創(chuàng)建出基本的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。將這些自動(dòng)創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)與自然界中的生物示例進(jìn)行對(duì)比并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，然后再對(duì)最終的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行最后的數(shù)值驗(yàn)證。OptiStruct 等優(yōu)化工具非常適合此類項(xiàng)目，尤其是在開(kāi)發(fā)全新的設(shè)計(jì)方案時(shí)更是如此。由于所得的幾何結(jié)構(gòu)通常十分復(fù)雜，因此，非常適合采用激光增材制造等限制較少的生產(chǎn)方法進(jìn)行生產(chǎn)。
航空業(yè)供應(yīng)商 Premium Aerotec(PAG)擔(dān)當(dāng)了該項(xiàng)目的行業(yè)合作伙伴。再結(jié)合 LZN 現(xiàn)有的加工設(shè)備，該項(xiàng)目所需的多數(shù)設(shè)備可直接可用。此外，研究人員還進(jìn)入了三家金屬增材制造工廠SLM、Concept及EOS，自行生產(chǎn)出了所設(shè)計(jì)的部件。
LZN 研究人員以支架樣品為例，證明了適用于輕量化金屬結(jié)構(gòu)的全新設(shè)計(jì)和工程方案能夠與激光增材制造完美結(jié)合。所生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)充分利用了設(shè)計(jì)自由度。由于設(shè)計(jì)自由，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中就可以以更加大膽的方式采用優(yōu)化工具，并且?guī)缀蹩梢灾苯映尸F(xiàn)結(jié)果，因?yàn)榧す庠霾姆椒ǖ闹圃煜拗戚^少。即使是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也幾乎不需要額外的制造工作，并且拓?fù)?/em>優(yōu)化的結(jié)果可根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合很好地進(jìn)行調(diào)整，使其與自然示例相符。
展開(kāi) Optistruct軟件在輕量化制動(dòng)鉗設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
OptiStruct軟件應(yīng)用于汽車輕量化制動(dòng)鉗的設(shè)計(jì)過(guò)程。在原有模型的基礎(chǔ)上對(duì)制動(dòng)鉗進(jìn)行topology優(yōu)化，并利用ANSYS對(duì)于優(yōu)化后的制動(dòng)鉗模型進(jìn)行FEA校核。計(jì)算結(jié)果表明，在保證制動(dòng)鉗剛度的前提下，優(yōu)化后的制動(dòng)鉗比原型節(jié)省材料11%。
Optistruct軟件在輕量化制動(dòng)鉗設(shè)計(jì)中的應(yīng)用--許海春.pdf
拓?fù)?/em>優(yōu)化和新的制造方法在農(nóng)業(yè)工程中實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)
Altair 解決方案：用 Altair Inspire 進(jìn)行拓?fù)?/em>優(yōu) 化。
優(yōu)點(diǎn)：耐久性提高了 2.5 倍；重量減輕 8%；降低生產(chǎn)成本；為使用附加模塊的客戶提供更高的靈活性
項(xiàng)目介紹
Amazone 開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)具有高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量且具有創(chuàng)新技術(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械，支持現(xiàn)代化、經(jīng)濟(jì)的耕作方法。 考慮到這些標(biāo)準(zhǔn)，Amazone 利用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具，流程和制造方法為客戶的成功做出貢獻(xiàn)。
農(nóng)業(yè)機(jī)械在極其惡劣和極端變化的條件下使用。除了服務(wù)質(zhì)量和備件的可用性之外，產(chǎn)品壽命是農(nóng)民需要考慮的主要購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)。 在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，制造商不僅要在價(jià)格上具有競(jìng)爭(zhēng)力，還必須考慮產(chǎn)品的耐用性，因?yàn)檫@方面會(huì)影響制造商在市場(chǎng)上的聲譽(yù)。
挑戰(zhàn)
在過(guò)去十年中，農(nóng)業(yè)機(jī)械和相關(guān)設(shè)備的效率大幅提高。 通過(guò)提高地面覆蓋率，例如，更高的吞吐率、擴(kuò)大的切割單元和更高的儲(chǔ)罐容量，整體生產(chǎn)率得到顯著提高。 但是，對(duì)于惡劣的操作條件，設(shè)備必須仍然足夠堅(jiān)固，并且設(shè)計(jì)改進(jìn)不得導(dǎo)致最終產(chǎn)品的更高價(jià)格。
這是新的開(kāi)發(fā)和制造流程發(fā)揮作用的地方。除了通過(guò)使用特定于負(fù)載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)省的材料資源之外，還可以通過(guò)有針對(duì)性的、面向制造的優(yōu)化開(kāi)發(fā)流程來(lái)提高產(chǎn)品耐用性和重量，并且最終用戶無(wú)需額外成本。
Amazone 最近進(jìn)行了一個(gè)項(xiàng)目，對(duì)土壤耕作裝置的懸架部件進(jìn)行了優(yōu)化，以評(píng)估部件的材料使用和耐久性。 該裝置是牽引式圓盤(pán)耙，Catros-2TS，由拖拉機(jī)牽引，可用于不同的配置。 緊湊型圓盤(pán)耙用于劇烈攪拌和淺耕（工作深度達(dá)15 厘米）。
輕量化這一組件為農(nóng)民提供了另一項(xiàng)好處。使用更輕的懸架部件，農(nóng)民在可供選擇附加設(shè)備上可能有更多的選擇。例如，如果需要，他可以選擇較重的滾輪進(jìn)行更密集的土壤重新固結(jié)，并且使用較輕的懸架部件不會(huì)超過(guò)總體允許的軸載荷。
展開(kāi) 減材制造的拓?fù)?/em>優(yōu)化，為增材制造輕量化組件帶來(lái)新思路
南極熊導(dǎo)讀：對(duì)于減材工藝，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)軟件可以輕而易舉地生成對(duì)應(yīng)的輕量化形狀，但這卻增加了制作成本和浪費(fèi)。不過(guò)將這種生成的輕量化形狀用增材工藝來(lái)制造，或許又是一條新的思路。
與更傳統(tǒng)的制造方法相比，增材制造（AM，又稱3D打?。┑?quot;自由復(fù)雜性"經(jīng)常被吹捧為主要優(yōu)勢(shì)。用3D打印制造輕量化、仿生形狀或晶格結(jié)構(gòu)的能力經(jīng)常被譽(yù)為選擇它的理由。但是，如果這些仿生部件也可以很容易地用傳統(tǒng)方法制造呢？
當(dāng)然，有些形狀只能用3D打印制造，但如果可以捕捉到所有加工過(guò)程中的可加工性、工具可及性和夾具的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，然后再應(yīng)用計(jì)算機(jī)算法去生成一個(gè)輕量化零件呢？如果是這樣的話，那么使用3D打印衍生出的設(shè)計(jì)軟件工具可以很容易地幫助加工。
在我們深入探討這個(gè)問(wèn)題之前，你可能想知道計(jì)算機(jī)算法如何能夠自行生成輕量化零件。事實(shí)證明，這比你想象的要容易，這些計(jì)算機(jī)算法，傳統(tǒng)上被稱為拓?fù)?/em>優(yōu)化，已經(jīng)存在了大約與3D打印在市場(chǎng)上的時(shí)間一樣長(zhǎng)。
賓夕法尼亞州立大學(xué)工程系學(xué)生，從左到右，Gracie Chiodo、Jennifer Aklilu、Yanen Huang和Luke Fichner使用AutoDesk Fusion 360為他們的NASA畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目生成了一個(gè)輕量化結(jié)構(gòu)（發(fā)起人：Ryan McClelland），Protolabs在不到一天的時(shí)間內(nèi)輕松完成了加工。圖片來(lái)源：Gregg Stoklosa
最基本的是，拓?fù)?/em>優(yōu)化使用數(shù)學(xué)算法，通過(guò)從三維實(shí)體模型中去除幾乎沒(méi)有負(fù)載或力和扭矩的區(qū)域的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)。它最常被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析，但算法也被開(kāi)發(fā)用于流體流動(dòng)、傳熱和幾乎所有可以在計(jì)算機(jī)上離散、建模和分析的物理現(xiàn)象。
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