基于增材制造的机械产品拓扑优化设计与仿真技术探究

李华雄

摘 要：为提高机械产品的结构性能，加快迭代速度，进一步深化拓扑优化设计与仿真技术在增材制造领域的应用探究，对于机械产品设计制造一体化提供指导意义。

关键词：机械产品;拓扑优化;增材制造;设计制造一体化

引言

伴随着我国制造业经济的不断发展，机械产品个性化需求越来越高，拓扑优化设计为机械产品提能增效尤为重要。拓扑优化设计出的复杂不规则构型难以通过传统制造技术加工成型，然而增材制造技术基于逐层打印的方式可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零件。可见，拓扑优化设计和增材制造技术的结合有效促进现代制造业的发展。

1 增材制造与拓扑优化设计介绍

1.1增材制造

基于材料堆积法的一种高新制造技术，根据零件或物体的三维模型数据，通过快速成型设备，运用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料等可粘合材料，以分层加工、叠加成形的方式逐层增加材料来生成3D实体，大大降低了制造的复杂度。

1.2拓扑优化设计

拓扑优化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法，是结构优化的一种。结构优化可分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。

尺寸优化：以结构件外形或者孔洞形状为优化对象，比如凸台过渡倒角的形状等。

形状优化：是在已有薄板上寻找新的凸台分布，提高局部刚度。

拓扑优化：以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，可以在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，最具发展前景。

2拓扑优化设计与仿真技术在增材制造应用优势

在机械产品拓扑优化设计，一方面可以帮助设计师根据产品的性能要求，在指定的设计空间内快速、准确的实现产品设计;另一方面，可以优化改善结构性能、减轻产品质量，对增材制造过程优化和性能验证，得到一种全新的设计方案。

而增材制造是可以制造相对复杂的零件，大大解放了结构设计师的思想束缚，不必过多考虑制造工艺的约束，突破现有设计极限对结构创新设计技术及快速试制技术限制，是优化后的设计方案转化为实际产品的重要途径。

3拓扑优化设计与仿真技术在增材制造案例应用

solidThinking Inspire采用Altair 先进的 OptiStruct 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，设计人员根据优化结果进行再设计和仿真验证。以某航空支架部件作为对象进行拓扑优化设计与仿真验证，如图1所示。

3.1支架初始强度分析

鉴于支架部件的安装连接状态及功能要求分析，其中材料为钛合金，材料属性：杨氏模量115000MPa、泊松比0.33、密度4500kg/m3、屈服應力1050MPa。在底部六孔进行固定约束，添加载荷工况如表1所示。

3.2拓扑结构优化

根据提供的边界条件对支架进行拓扑结构优化，指定设计空间、非设计空间、优化形状控制、添加载荷（约束和力），以刚度最大为优化目标，质量和厚度作为设计约束：

（1）3D打印的工艺可行性;

（2）优化后的质量，80%的减重;

（3）优化后的强度，分析得到拓扑优化结果：强度不超过材料的屈服应力，满足实际的强度需求。

3.3几何重构

根据支架拓扑优化结果进行几何重构，利用PolyNURBS手动拟合重构，将优化结果的网格重构成光顺外形，并将设计空间与非设计空间需要连接成一个整体的实体最终获得最终的轻量化设计模型。

3.4强度校核

对重构的支架模型再次进行强度分析评估，获得结果（包括最大位移，最大应力，安全系数），确保零件的最大应力值小于材料屈服应力。

3.5 3D打印制造过程仿真验证

在金属增材制造过程中，激光功率、扫描速度、层厚和扫描间距等工艺参数不合理都会影响最终打印件的质量。借助Inspire Print3D采用固有应变算法，可对重构的支架模型进行制造设计和过程仿真，优化减少材料使用量、打印时间和后处理工作，从而降低产品开发和增材制造成本。

选择了EOS M290作为打印平台，3D打印过程可视化仿真，并同时获得打印过程中温度及应力变化过程，从而实现对支架变形、开裂、翘曲等性能的预测和分析，为修正设计和优化打印工艺提供可靠依据。

4总结

增材制造的拓扑优化是先进设计与先进制造的有机融合，可推动机械产品的质量提升和性能优化，给机械行业带来革命性的改变。基于solidThinking Inspire软件对支架拓扑优化设计与仿真模拟分析，减轻支架重量，提高力学性能，模拟金属3D打印制造过程，能够在一定程度上降低工艺实验成本，摆脱了传统“试错”的增材制造模式，为复杂机械产品的增材设计与制造一体化过程提供了精确的参考依据。

参考文献：

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