3D打印-增材制造是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢，其優(yōu)勢顯而易見，它可以實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝手段無法制造的設(shè)計，比如復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)、點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計、多零件融合一體化制造等。3D打印-增材制造不僅是工藝的革命，它還帶來了設(shè)計的革命，帶來了全新的設(shè)計可行性，使得改變設(shè)計理念成為必然。我們在面向增材制造的設(shè)計中，需要重新審視原有設(shè)計，充分發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢。





圖：增材制造點陣結(jié)構(gòu)

基于3D打印-增材制造思維的設(shè)計是一場設(shè)計的革命，它完全打開了設(shè)計枷鎖，進行面向增材制造、由產(chǎn)品性能驅(qū)動的設(shè)計。在該設(shè)計流程中，正向設(shè)計是核心思想，仿真優(yōu)化是核心技術(shù)，其基本流程為：

基于產(chǎn)品性能要求定義設(shè)計空間、設(shè)計條件和設(shè)計目標；

通過拓撲形貌優(yōu)化技術(shù)確定產(chǎn)品概念設(shè)計外形，其核心技術(shù)是拓撲優(yōu)化；

確定產(chǎn)品概念設(shè)計外形后，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進行詳細設(shè)計和定型，其核心技術(shù)是參數(shù)優(yōu)化；

對優(yōu)化設(shè)計進行性能驗證，其核心技術(shù)是仿真分析；

本文簡要闡述了面向增材制造的先進設(shè)計的理念和實現(xiàn)手段，并將其應(yīng)用于某型號振動臺動圈骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)果顯示由先進設(shè)計理念指導(dǎo)的振動臺動圈骨架的最終優(yōu)化設(shè)計的各項性能全面優(yōu)于原設(shè)計。

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某型號振動臺動圈結(jié)構(gòu)概述
電動振動臺模擬產(chǎn)品在制造、組裝運輸以及使用執(zhí)行階段所遭遇的各種環(huán)境，用以鑒定產(chǎn)品是否具有忍受環(huán)境振動的能力，被廣泛應(yīng)用于國防、航空、航天、通訊、電子、汽車以及家電等行業(yè)。動圈骨架是電動振動臺的關(guān)鍵部件，其動力學(xué)特性的優(yōu)劣將直接影響到振動臺系統(tǒng)的一階豎向共振頻率的高低，從而影響到振動臺工作頻率的上限和非線性失真大小，因此一階豎向共振頻率是設(shè)計振動臺的技術(shù)關(guān)鍵。某型號振動臺動圈原設(shè)計如圖1所示。其各個部分的力學(xué)性質(zhì)如表1所示。


圖1 某型號振動臺動圈結(jié)構(gòu)



表1 動圈結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)
振動臺動圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標是在保證骨架質(zhì)量不增加的前提下，其豎向一階共振頻率盡量提升，其余性能指標（強度、Q值、橫向振動、臺面振動均勻度等）與原設(shè)計相當或優(yōu)于原設(shè)計。

振動臺動圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略概述
振動臺動圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化策略是在保持動圈各個結(jié)構(gòu)材料不變的情況下，通過優(yōu)化動圈骨架原始結(jié)構(gòu)，達到在質(zhì)量相對于原設(shè)計不增加的情況下，其豎向一階共振頻率盡可能提升，其它各項性能，包括骨架強度、Q值、動圈的橫向振動以及振動臺臺面振動均勻度等均較原設(shè)計的相應(yīng)性能有所提升。此優(yōu)化策略的實現(xiàn)手段是：首先在ANSYS Workbench里對動圈結(jié)構(gòu)的原設(shè)計模型進行有限元分析，以獲得原設(shè)計結(jié)構(gòu)的相應(yīng)性能評價指標，并以此分析為基礎(chǔ)，利用拓撲優(yōu)化軟件GENESIS對動圈骨架原設(shè)計結(jié)構(gòu)進行拓撲形貌優(yōu)化，以獲得具有最佳材料分布和最佳傳力路徑的動圈骨架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計；然后基于拓撲優(yōu)化的材料分布確定參數(shù)化建模方案并利用參數(shù)優(yōu)化軟件optiSLang 對參數(shù)化模型進行參數(shù)優(yōu)化，完成最終的詳細設(shè)計；最后，對最終的詳細設(shè)計進行有限元分析，提取相應(yīng)的性能評價指標值，并與原設(shè)計的相應(yīng)性能評價指標進行比較，最終確定優(yōu)化設(shè)計是否滿足要求。


振動臺動圈骨架拓撲形貌優(yōu)化

拓撲優(yōu)化基于已知的設(shè)計空間和工況條件以及設(shè)計約束，確定剛度最大、質(zhì)量最小的設(shè)計方案。它通過計算材料內(nèi)最佳的傳力路徑，最終獲得具有最佳材料分布的優(yōu)化結(jié)果。拓撲優(yōu)化革新了傳統(tǒng)的功能驅(qū)動的經(jīng)驗設(shè)計模式，實現(xiàn)了性能驅(qū)動的生成式設(shè)計，成為真正的正向設(shè)計模式。

就振動臺動圈骨架結(jié)構(gòu)而言，通過初步分析可以得出：豎向剛度的增加可以導(dǎo)致豎向共振頻率的增加。基于此認識，利用GENESIS對骨架進行拓撲形貌優(yōu)化，目的是探索動圈骨架的合理材料分布，為結(jié)構(gòu)改進和參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)性概念設(shè)計方案。拓撲形貌優(yōu)化的目標是動圈骨架結(jié)構(gòu)的豎向剛度最大，質(zhì)量最小，約束是變形不大于原設(shè)計在相同載荷條件下的變形。其優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。


圖2 拓撲形貌優(yōu)化結(jié)果

拓撲形貌優(yōu)化結(jié)果可以給出后續(xù)的改進方向。從拓撲形貌優(yōu)化的結(jié)果可以看出：骨架的腹板中央和面板和外圍環(huán)板區(qū)域應(yīng)該減??；腹板外側(cè)和骨架底部環(huán)板區(qū)域應(yīng)該加厚。具體減薄、加厚的范圍以及板材尺寸則需要通過參數(shù)優(yōu)化獲得。


振動臺動圈骨架參數(shù)優(yōu)化
拓撲優(yōu)化只是給出結(jié)構(gòu)的最佳材料分布，但是結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計所需要的信息則需要通過參數(shù)優(yōu)化獲得，從而完成設(shè)計定型。

參數(shù)優(yōu)化的一般流程包括以下步驟：

參數(shù)化建模：包括參數(shù)化CAD模型（如尺寸參數(shù)）以及參數(shù)化有限元模型（如載荷工況條件參數(shù)化）；

參數(shù)敏感性分析：識別重要性參數(shù)，過濾無關(guān)參數(shù)，并建立高質(zhì)量響應(yīng)面，為后續(xù)快速優(yōu)化做準備；

優(yōu)化分析：定義優(yōu)化目標、約束條件，設(shè)定優(yōu)化算法進行優(yōu)化計算；

設(shè)計驗證：對最終的優(yōu)化設(shè)計進行驗證性分析；

穩(wěn)健性可靠性評估：若對可靠性有要求，則進行穩(wěn)健性可靠性分析與優(yōu)化。

具體到本動圈骨架結(jié)構(gòu)，參數(shù)化模型采用1/8周期對稱模型（這是為了在不影響效果的前提下提升效率）。基于上面拓撲形貌優(yōu)化的概念設(shè)計，我們的參數(shù)化建模策略及參數(shù)化的參數(shù)如圖3所示。


圖3 振動臺動圈骨架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模

我們關(guān)心的響應(yīng)變量為振動臺動圈骨架的質(zhì)量和豎向一階共振頻率。參數(shù)優(yōu)化中的參數(shù)敏感性分析結(jié)果如圖4所示。


圖4 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果：參數(shù)敏感性分析結(jié)果