仿真与优化技术激发3D打印潜力

发表于 2016-12-8 05:19:34 显示全部楼层 0 12111

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在很多制造企业或一线设计公司,工程师进行设计时经常会遇到一些问题,针对遇到的问题我进行了简单归纳:
第一,设计是怎么来的?是不是最优的设计结果?是不是凭经验来的?如何获得最优的结果?
第二,如何绘制CAD的模型?
第三,获得最优结构之后,如何获得更优设计?

设计师如何获得最优的设计形状?

有经验的设计师在设计产品形状时,会参考其他设计师设计的图形,但有些设计师会凭借自己的工程经验设计,然后再进行仿真验证,这样会浪费很多时间。鉴于此Altair推出了第一个解决方案——仿生设计,使工程师获得前段基础,其实在很多设计中工程师都运用了仿生设计,比如一棵大树可以支撑强壮的树干,于是建筑设计中很多结构就是非常粗壮的柱结构,同时有很多支架架构,能够支撑上面的顶层。其实这种自然设计的背后所应用的技术是拓扑技术,这种技术可以导入到模型,利用一些仿真的技术在传递路径上获得最优结构,最终得到一个精妙结构,称之为‘拓扑优化技术’。

在过去二十多年中,Altair的拓扑优化技术应用到很多领域,如汽车、飞机制造、通用机械等行业。拓扑优化技术可以帮助企业实现仿真、优化减重以及轻量化。

Altair有句口号:‘让每一位工程师都能使用拓扑优化技术’。即产品设计可以直接导入到Inspire中,用最初的模型在Inspire中进行仿真和加入载荷。比如汽车踏板上支撑了多少力,有多少是固定的,把这些工况直观展现在模型上,然后渗透材料;根据一些制造的约束,脱模、对称等进行优化,可以直接看到拓扑优化结构。这个结构到底是不是符合力学需求,可以在Inspire中进行验证、仿真,看是否符合设计的标准。整个操作界面非常简单,即使没有任何力学基础,都可通过此技术获得最优结果。所以这种设计可以快速帮助客户进行设计,真正缩短设计周期。

比如瑞典的SCANIA公司,在产品的研发过程中有一些新的零部件设计就采用了拓扑优化方法,Inspire让设计工程师通过仿真驱动设计,帮助客户加速研发流程,使得设计流程快速往前递进。比如国内一家做泵头设计的企业,下面这款泵头的设计是根据设计师经验设计的,设计师认为这样设计是比较合理的,但运用Inspire优化之后加入载荷,发现四面加支柱的设计更加合理,同时也可以帮助减重。两个设计结果进行对比后,发现减重一半,产品的生命周期可加快。

CDL泵头设计

CDL泵头设计
CDL泵头设计

Inspire的优势在于:第一,更加易学易用;第二,能够在几分钟内生成设计概念;第三,有效解决设计问题;第四,可以对接现行的所有CAD软件,比如CATIA等。拓扑优化可以帮助流程快速递进,同时帮助产品减重,拓扑优化在给定载荷与工况后,提供最高效能的结构。但在传统制造方法中,工程师通常需平衡可制造性及产品性能二者的关系。

现在非常流行、非常火爆的话题是增材制造技术,也就是3D打印。实际上增材制造需要考虑传统设计没有考虑的问题,比如不同材质。如果把增材制造技术用在传统的精加工、零件设计,是没有任何意义,而且会增加成本。如果把拓扑优化和增材制造技术结合,就可以发挥两者的最大优势。Altair和Hyperworks对接,用3D打印的方式就可以非常直接的做出形状,而且相对原始的设计,制造质量成本是原来的三分之一。所以如果把拓扑优化和3D打印结合运用,那么就可以发挥各自的最大优势。

拓扑优化和增材制造技术结合使用

拓扑优化和增材制造技术结合使用
拓扑优化和增材制造技术结合使用

Arup是著名的建筑公司,有很多著名的设计,比如参与了鸟巢、水立方的建设等。在其中一个建筑零部件的设计中,由于建筑零部件在建筑内部看不到,形状设计怪异也没有关系,重要的是可以承受非常强的外力和复杂的工况。通过一次又一次的迭代,采用拓扑优化的Inspire的方式,最终使得零部件质量降低了75%。虽然形状很怪异,但三个零部件可以满足同样的外力承载,实现的功能是一致的,节省了很多材料,同时成本也降低了很多。

Arup建筑部件设计

Arup建筑部件设计
Arup建筑部件设计

其实,Altair不仅有拓扑优化技术,还有多学科优化技术。仿真技术和优化技术是核心,可以与3D打印进行对接,可以在试制过程和研发过程中缩短研发周期,优化产品。来源:e-works
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