導讀：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計是一個經(jīng)典又傳統(tǒng)的問題，從古至今人類始終都在追求材料的高效利用。如何使用科學的方法來快速高效地設計合理的結(jié)構(gòu)，一直以來都是工程師和設計師所追求的終極目標。

　　作為力學領域的一個重要分支，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計以力學為基礎，集數(shù)學、物理、材料科學、計算機科學甚至圖形學等許多不同學科不同領域于一體，一般是指為了滿足某一種或多種特定目標（如材料消耗最少化、建造成本最小化、結(jié)構(gòu)強度最大化、結(jié)構(gòu)美感最大化等等），在某些需要滿足的約束下（如體積約束、重量約束、幾何約束等），對整體或局部結(jié)構(gòu)進行的優(yōu)化設計與改進。

　　通常情況下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化（Structural Optimization）按照問題的難度和對結(jié)構(gòu)的改變程度，可以分為三個不同的層次，分別為：

　　● 尺寸優(yōu)化（Size Optimization）

　　● 形狀優(yōu)化（Shape Optimization）

　　● 拓撲優(yōu)化（Topology Optimization）

　　尺寸優(yōu)化：優(yōu)化結(jié)構(gòu)各個部件的尺寸參數(shù)，如桿的粗細，殼的厚度，構(gòu)件的截面尺寸等等。

　　△尺寸優(yōu)化

　　形狀優(yōu)化：一般是指在保持結(jié)構(gòu)拓撲連接關(guān)系不變的前提條件下，將構(gòu)件的截面形狀，節(jié)點的空間位置或者連續(xù)體的形狀等作為設計變量，即通過修改模型的形狀與邊界，來改變整體結(jié)構(gòu)的幾何特征。

　　△形狀優(yōu)化

　　拓撲優(yōu)化：拓撲優(yōu)化的概念來自于拓撲學，一般是指在某種給定的優(yōu)化準則和需要滿足的約束條件下，在模型需要優(yōu)化的區(qū)域即設計域內(nèi)確定實體域一般指材料的數(shù)量及布局，例如確定結(jié)構(gòu)中各個構(gòu)件（如梁、柱、墻等）的布局及其節(jié)點的空間位置與連接關(guān)系。簡單的來說，就是給一定數(shù)量的材料，通過確定這些材料在整個設計域內(nèi)的空間分布，使得最終得到的結(jié)構(gòu)在滿足條件的前提下達到最大的結(jié)構(gòu)強度。

　　△拓撲優(yōu)化

　　從尺寸優(yōu)化到形狀優(yōu)化再到拓撲優(yōu)化，問題的復雜度越來越高，難度也變得越來越大，因此它們在工程應用中的成熟度依次降低。然而在實際設計中，這三個優(yōu)化層次的使用順序恰好相反，分別對應于三個不同的設計階段。

　　一般整個結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)要在概念設計階段初步?jīng)Q定，這也是整個設計過程中難度最大的階段，拓撲結(jié)構(gòu)能夠體現(xiàn)設計者的創(chuàng)意、水平，能夠反映結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。確定了拓撲結(jié)構(gòu)之后，便進入基本設計階段，即進一步優(yōu)化各個部件的形狀，最后再進入詳細設計階段，確定每一個部件的尺寸大小。整個設計過程遵循從整體到局部的設計理念，即先從宏觀上設計整體結(jié)構(gòu)，再從局部改進構(gòu)造、優(yōu)化尺寸。

　　當然，一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)一般很難通過這個過程就能一次確定下來，在實際設計時這個過程一般需要不斷地迭代更新，以在滿足各種設計需求的前提下，達到最終的目的。

　　同時，如何在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計過程中考慮增材制造工藝約束，實現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果的快速直接制備，也是一個非常重要的關(guān)注點。增材制造并非完全“自由”制造，仍然存在獨特的制造約束，主要包括以下三類：結(jié)構(gòu)最大/最小尺寸、支撐結(jié)構(gòu)、制造缺陷（表面粗糙度、材料各向異性等）。

　　1、尺寸特征

　　不同的3D打印設備具有不同的成型尺寸和打印精度，因此在結(jié)構(gòu)設計時要注意最大/最小尺寸。一般情況下，結(jié)構(gòu)的最大尺寸由成型平臺決定，過大的結(jié)構(gòu)應當設計工藝分離面和連接形式。最小尺寸特征由打印設備的精度、分辨率、光斑大小等參數(shù)決定，設計師應當避免無法制造的細桿、小孔等結(jié)構(gòu)。

　　△增材制造結(jié)構(gòu)的連接形式和測試樣件

　　△增材制造結(jié)構(gòu)的最小尺寸約束

　　2、支撐結(jié)構(gòu)設計

　　增材制造過程中，往往需要在懸垂結(jié)構(gòu)下方添加支撐結(jié)構(gòu)，以防止制造過程中結(jié)構(gòu)坍塌。但是支撐結(jié)構(gòu)不僅僅會帶來材料的浪費、打印時間的增加，而且在后處理過程中帶來工藝難度增加，影響結(jié)構(gòu)最終表面精度。因此設計自支撐結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化過程中自動識別特征結(jié)構(gòu)，避免大懸挑結(jié)構(gòu)。

　　筆者分享一個設計小技巧：當支撐面無法避免時，那么就把表面質(zhì)量要求最高的面設計為支撐面，這與支撐面表面質(zhì)量最差的常識正好相反。因為增材制造的零件一般無法滿足直接裝配的要求，裝配面等質(zhì)量要求高的面需要再次機械加工，這樣做的好處是去支撐的后處理過程正好與機械加工同時進行。

　　3、制造缺陷

　　增材制造技術(shù)雖得到了飛速的發(fā)展，然而整體來看該制造工藝仍處于技術(shù)發(fā)展初期，產(chǎn)品往往存在一些缺陷，例如材料各向異性、表面粗糙、內(nèi)部孔洞、材料性能不穩(wěn)定等問題。設計者應當考慮制造缺陷對結(jié)構(gòu)性能的影響，主要包括：設計較大的安全裕度（＞1.5），設計時考慮無損檢測的可檢性和可達性，缺陷易發(fā)區(qū)域設計為非關(guān)鍵區(qū)域等。

　　總之，面向增材制造的設計（Design for Additive Manufacturing，簡稱DfAM或增材設計）就是從產(chǎn)品功能出發(fā)，同時兼顧增材制造工藝的可行性的設計方法，它是在關(guān)注增材制造工藝的商業(yè)化應用過程中實現(xiàn)對零件、組件甚至系統(tǒng)的重新設計。在此基礎上，安世亞太提出DfAM設計方法，就是基于增材思維的先進設計與智能制造整體解決方案，是新一代造物革命下的全新設計范式。

　　近期，由安世亞太翻譯出版的《增材制造設計（DfAM）指南》正在熱銷，作者是瑞典隆德大學的三位學者——奧拉夫·迪格（Olaf Diegel）教授、阿克塞爾·諾?。ˋxel Nordin）博士和達米安·莫特（Damien Motte）博士。2019年8月，奧拉夫·迪格教授在接受PLM Group媒體采訪時，談到加速增材制造技術(shù)大規(guī)模商用化的關(guān)鍵，是學習增材設計；為了服務廣大增材設計和制造從業(yè)人員，縮短學習曲線，避免重復發(fā)明輪子，所以撰寫這本實用指南。

　　本書就如何面向增材工藝設計零組件以獲取成本和性能的最大收益，提供了詳盡的指南和豐富的案例，包括增材制造導論、增材制造工藝、增材設計戰(zhàn)略、增材設計分析優(yōu)化工具、零件合并準則、增材工藝工夾具設計準則、面向聚合物和金屬的增材設計、后處理、以及增材制造的健康安全和零件認證、增材制造的未來等章節(jié)。作為全球第一本的增材設計專著，本書中譯本將為我國增材產(chǎn)業(yè)從業(yè)者、工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)設計、工藝和制造人員，帶來全方位的以增材思維驅(qū)動的增材設計細節(jié)知識和工程應用經(jīng)驗分享。