基于增材制造的機械產品拓撲優化設計與仿真技術探究

李華雄

摘 要：為提高機械產品的結構性能，加快迭代速度，進一步深化拓撲優化設計與仿真技術在增材制造領域的應用探究，對于機械產品設計制造一體化提供指導意義。

關鍵詞：機械產品;拓撲優化;增材制造;設計制造一體化

引言

伴隨著我國制造業經濟的不斷發展，機械產品個性化需求越來越高，拓撲優化設計為機械產品提能增效尤為重要。拓撲優化設計出的復雜不規則構型難以通過傳統制造技術加工成型，然而增材制造技術基于逐層打印的方式可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復雜的零件。可見，拓撲優化設計和增材制造技術的結合有效促進現代制造業的發展。

1 增材制造與拓撲優化設計介紹

1.1增材制造

基于材料堆積法的一種高新制造技術，根據零件或物體的三維模型數據，通過快速成型設備，運用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料等可粘合材料，以分層加工、疊加成形的方式逐層增加材料來生成3D實體，大大降低了制造的復雜度。

1.2拓撲優化設計

拓撲優化是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，是結構優化的一種。結構優化可分為尺寸優化、形狀優化和拓撲優化。

尺寸優化：以結構件外形或者孔洞形狀為優化對象，比如凸臺過渡倒角的形狀等。

形狀優化：是在已有薄板上尋找新的凸臺分布，提高局部剛度。

拓撲優化：以材料分布為優化對象，通過拓撲優化，可以在均勻分布材料的設計空間中找到最佳的分布方案。拓撲優化相對于尺寸優化和形狀優化，具有更多的設計自由度，能夠獲得更大的設計空間，最具發展前景。

2拓撲優化設計與仿真技術在增材制造應用優勢

在機械產品拓撲優化設計，一方面可以幫助設計師根據產品的性能要求，在指定的設計空間內快速、準確的實現產品設計;另一方面，可以優化改善結構性能、減輕產品質量，對增材制造過程優化和性能驗證，得到一種全新的設計方案。

而增材制造是可以制造相對復雜的零件，大大解放了結構設計師的思想束縛，不必過多考慮制造工藝的約束，突破現有設計極限對結構創新設計技術及快速試制技術限制，是優化后的設計方案轉化為實際產品的重要途徑。

3拓撲優化設計與仿真技術在增材制造案例應用

solidThinking Inspire采用Altair 先進的 OptiStruct 優化求解器，根據給定的設計空間、材料屬性以及受力需求生成理想的形狀，設計人員根據優化結果進行再設計和仿真驗證。以某航空支架部件作為對象進行拓撲優化設計與仿真驗證，如圖1所示。

3.1支架初始強度分析

鑒于支架部件的安裝連接狀態及功能要求分析，其中材料為鈦合金，材料屬性：楊氏模量115000MPa、泊松比0.33、密度4500kg/m3、屈服應力1050MPa。在底部六孔進行固定約束，添加載荷工況如表1所示。

3.2拓撲結構優化

根據提供的邊界條件對支架進行拓撲結構優化，指定設計空間、非設計空間、優化形狀控制、添加載荷（約束和力），以剛度最大為優化目標，質量和厚度作為設計約束：

（1）3D打印的工藝可行性;

（2）優化后的質量，80%的減重;

（3）優化后的強度，分析得到拓撲優化結果：強度不超過材料的屈服應力，滿足實際的強度需求。

3.3幾何重構

根據支架拓撲優化結果進行幾何重構，利用PolyNURBS手動擬合重構，將優化結果的網格重構成光順外形，并將設計空間與非設計空間需要連接成一個整體的實體最終獲得最終的輕量化設計模型。

3.4強度校核

對重構的支架模型再次進行強度分析評估，獲得結果（包括最大位移，最大應力，安全系數），確保零件的最大應力值小于材料屈服應力。

3.5 3D打印制造過程仿真驗證

在金屬增材制造過程中，激光功率、掃描速度、層厚和掃描間距等工藝參數不合理都會影響最終打印件的質量。借助Inspire Print3D采用固有應變算法，可對重構的支架模型進行制造設計和過程仿真，優化減少材料使用量、打印時間和后處理工作，從而降低產品開發和增材制造成本。

選擇了EOS M290作為打印平臺，3D打印過程可視化仿真，并同時獲得打印過程中溫度及應力變化過程，從而實現對支架變形、開裂、翹曲等性能的預測和分析，為修正設計和優化打印工藝提供可靠依據。

4總結

增材制造的拓撲優化是先進設計與先進制造的有機融合，可推動機械產品的質量提升和性能優化，給機械行業帶來革命性的改變。基于solidThinking Inspire軟件對支架拓撲優化設計與仿真模擬分析，減輕支架重量，提高力學性能，模擬金屬3D打印制造過程，能夠在一定程度上降低工藝實驗成本，擺脫了傳統“試錯”的增材制造模式，為復雜機械產品的增材設計與制造一體化過程提供了精確的參考依據。

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