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1、厚德笃学 知行合一河南省高等教育教学改革研究项目增材制造模型设计（高级）增材制造模型设计（高级）学习学习目标目标素养目标素养目标知识目标知识目标（1 1）理解拓扑优化、点阵优化的概念；）理解拓扑优化、点阵优化的概念；（2 2）掌握有限元的基本概念和基本思想。）掌握有限元的基本概念和基本思想。（1 1）严谨科学的创新能力和实践动手能力；）严谨科学的创新能力和实践动手能力；（2 2）具有科学严谨的治学态度和精益求精的工匠精神。）具有科学严谨的治学态度和精益求精的工匠精神。能力目标能力目标（1 1）能够根据产品特征使用正确优化方法；）能够根据产品特征使用正确优化方法；（2 2）掌握零件优化分析的操作
2、步骤。）掌握零件优化分析的操作步骤。必备必备知识知识4.1 结构优化设计结构优化设计结构设计中得到一个可行的结构方案一般并不很难。机械设计的任务是在众多的可行性方案中寻求较好的或是最好的方案。结构优化设计的前提是要能构造出大量可供优选的可能性方案，即构造出大量的优化求解空间，这也是结构设计最具创造性的地方。结构优化设计目前基本仍局限在用数理模型描述的那类问题上。而更具有潜力、更有成效的结构优化设计应建立在由工艺、材料、联接方式、形状、顺序、方位、数量、尺寸等结构设计变元所构成的结构设计解空间的基础上。（a）（b）（c）图图4 4-1 1减重孔的结构优化设计减重孔的结构优化设计必备必备知识知识4
3、.1 结构优化设计结构优化设计2.拓扑优化拓扑优化拓扑优化(Topology Optimization)是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方原始设计法，属于结构优化的一种方法。结构拓扑优化是实现结构轻量化的重要手段之一。通过对结构的拓扑优化，可以找到最合理的结构传力路径，设计工程师根据拓扑最终优化结果，对结构进行再设计，使其既能满足结构强度要求，又能满足工艺要求。3.点阵优化点阵优化点阵结构作为有一种新型的结构设计，除了轻量化的特点外，还具有优良的比刚度、比强度、阻尼减震、缓冲吸能等功能性特点。点阵结构优化的一个主要应用是增材制造，其可以利用中
4、间密度的复杂晶格表示。与块状结构相比，这可以导致更有效的结构，块状结构需要更多的材料来维持类似的负载。应当注意，与完全致密的材料相比，通常由周期性晶格结构表示的多孔材料表现出每单位体积更低的刚度。对于四面体和金刚石晶格单元，均匀化的杨氏模量与密度的关系近似给出，其中EO指定致密材料的杨氏模量。必备必备知识知识4.1 结构优化设计结构优化设计4.优化设计软件的选择优化设计软件的选择（1）TOSCA StructureTOSCA Stucture 是德国 Fe-Design 公司开发的结构优化设计软件系统，是标准的无参结构优化系统，可以对具有任意载荷工况的有限元模型进行拓扑、形状和加强筋优化。在优
5、化过程中，可以直接使用己存在的有限元模型。TOSCAStructure 进行结构优化的每一次迭代过程均在外部求解器中进行结构分析，并通过采用众多业界认可的优化器进行优化求解，保证了优化结果的高质量。通过TOSCA Stracture 内部各程序的相互作用，可以完成新产品结构在 CAD/CAE 系统中从概念到成品的闭环优化设计过程。（2）ANSYS ANSYSY是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD）软件接口，如Creo、Nastran、Algor、I-DEAS、AutoCAD等，实现数据的共享和交换。它是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一
6、体的大型通用有限元分析软件，主要包括3个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。（3）Altair InspireAltair Inspire 是美国 Altair 公司研发的拓扑优化软件，是一款优秀的三维设计软件，主要面向设计工程师，可用于产品的结构件、铸造件、产品托架等的工程结构设计。它可用于设计流程的早期，帮助设计工程师生成和探素高效的结构基础。该软件采用 Altair 公司先进的 Opiistruct 优化求解器，根据给定的设计空间、材料属性以及受力需求生成理想的形状。根据软件生成的结果再进行结构设计，不仅能缩短整个设计流程的时间，而且能为设计节省材料及诚重。其设计优化能帮助设计工
7、程师获取优质的结构方案，缩短开发周期，提升设计质量。必备必备知识知识4.2 三维仿真优化设计三维仿真优化设计一般地，一个完整的有限元结构分析过程包括下面一些基本操作步骤和环节。1.1.前处理前处理前处理是整个分析过程的开始阶段，其目的在于建立一个符合实际情况的结构有限元分析模型，一般分为如下的几个操作环节:（1）分析环境设置进入有限元分析软件的环境设置界面后，指定分析的工作名称以及图形显示的标题，开始一个新的结构分析。（2）定义单元以及材料类型定义在分析过程中需要用到的单元类型(杆件单元、板单元、实体单元等)及其相关的参数。指定分析中所用的材料模型以及相应的材料参数(如线性弹性材料的弹性模量、
8、泊松比、密度等)。（3）建立几何模型在有限元软件中，所有问题的几何模型都是由关键点、线、面、体等各种图形元素(简称图元)所构成，图元层次由高到底依次为体、面、线及关键点。可以通过自底向上或者自顶向下两种途径来建立几何模型。（4）进行网格的划分在几何模型上进行单元划分，形成有限单元网格(Mesh)。一般情况下，在有限元软件中划分有限元网格分为定义要划分形成的单元属性、指定网格划分的密度、执行网格划分三个步骤。（5）定义边界及约束条件在上述有限单元模型上，引入实际结构的边界条件，自由度之间的耦合关系以及其他的一些条件。必备必备知识知识4.2 三维仿真优化设计三维仿真优化设计2.2.施加载荷、设置求
9、解参数并求解施加载荷、设置求解参数并求解这一步骤的目的在于为分析定义载荷，指定分析类型以及各种求解控制参数，一般分为以下的几个实际操作环节:（1）定义载荷信息有限元结构分析的载荷包括位移约束、集中力、表面载荷、体积载荷、惯性力以及耦合场载荷(如热应力)等。可以将结构分析的载荷施加到几何模型上(关键点、线、面)或者有限元模型上(节点、单元)。（2）指定分析类型和分析选项3.后处理后处理这一步骤对计算的结果数据进行可视化处理和相关的分析，可以利用有限元软件的通用后处理器和时间历程后处理器完成。必备必备知识知识4.1 结构优化设计结构优化设计零件结构设计与优化设计的一般工作流程如下:（1）确定零件的
10、受力和约束：）确定零件的受力和约束：首先对模型零件分析，获得零件在实际使用过程中的受力状态，包括受力类型、大小、方向和位置，以及与其他零件之间的配合关系，获得零件的运动副。需要注意的是，正确和合理的理解作用在零件上的真实力和约束对于拓扑优化至关重要，将直接导致优化后的零件的可靠性。（2）简化初始零件模型）简化初始零件模型：根据零件预留的空间位置，确定零件的原始尺寸；分析确定初始零件中与受力、约束等有关的必须保留的区域，删除设计中由于传统制造而产生的其他特征。（3）初始力学性能计算：）初始力学性能计算：根据零件材料、受力和约束等条件，进行有限元计算，获得零件的初始力学性能指标，包括位移、安全系数
11、、米塞斯等效应力等。（4）确定可优化的）确定可优化的“设设计空间计空间”：避免优化过程中改变需要保留的区域，设计空间区域为可以优化的区域。（5）确定零件的工）确定零件的工作工况：作工况：一般而言，零件的受力工况是多样的，在实际操作过程中，可以每种工况中使用单一的力。每种工况都可以通过模拟该特定工况下的最坏情况来设计最优零件。然后可以将各种工况的设计概念组合成一个涵盖所有受力工况的新设计。但是，如果您了解每个单独力的影响，也可以同时设置多个受力的优化。（6）执行拓扑优化：）执行拓扑优化：可以选择成熟的专用软件或自编程序完成，完成拓扑优化工作。（7）模型）模型光顺化与重构：光顺化与重构：拓扑优化生
12、成的结果是粗糙的模型，需要对其进行平滑处理转换为平滑模型。此过程中可以采用专用软件完成。（8）力学性能校核计算：）力学性能校核计算：在模型几何重构结束之后，对几何重构后的零件进行有限元计算，获得优化偶的零件的最终的力学性能指标，包括位移、安全系数、米塞斯等效应力等，以确认优化后的零件力学性能满足使用哟求。必备必备知识知识4.1 结构优化设计结构优化设计已知活塞头部件（图4-15），部件根据实际的受载情况进行适当的简化调整，主要的载荷来自气缸压力和气缸侧压力，中间的孔安装连杆，使用约束来表征安装孔的连接固定情况。（图4-15、图4-17）。必备必备知识知识4.1 结构优化设计结构优化设计已知活塞
13、头部件（图4-15），部件根据实际的受载情况进行适当的简化调整，主要的载荷来自气缸压力和气缸侧压力，中间的孔安装连杆，使用约束来表征安装孔的连接固定情况。（图4-15、图4-17）。零部件材料及载荷条件：（1）材料：ABS（杨氏模量 2000 MPa、泊松比0.35、密度1060 kg/m3、屈服应力 45 MPa）（2）约束：中间的两个孔位置完全约束（图4-16）（3）载荷：位置1的上表面，垂直于活塞上表面1Mpa压力（图4-17），位置2的侧表面（如图4-16红色面），活塞受到侧压力0.5Mpa（图4-17）优化目标：最小安全系数大于3。厚德笃学 知行合一延时符河南省高等教育教学改革研究项目
