逆向工程与3D打印技术 逆向工程与3D打印技术 项目六 拓扑设计知识页0.docx

项目六 拓扑设计 任务6.1 认识拓扑设计 6.1.1 任务描述及案例引入 本章节介绍了轻量化设计概念中的拓扑设计，对拓扑设计的概念，类型及应用进行了详细的说明，最后对本章节的知识内容进行了总结。 6.1.2 任务目标 （一）能力目标 （1）能够根据需求选择拓扑设计 （2）能够分析模型的边界条件 （二）知识目标 （1）了解拓扑设计的概念 （2）了解拓扑设计的应用领域 （3）了解点阵结构的概念 （三）素质目标 （1）具有严谨求实精神 （2）具有团队协同合作能力 （3）具备5S职业素养 6.1.3 认识拓扑设计以及拓扑软件 （一）拓扑设计概念 （1）简介 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法，是结构优化的一种。 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优化结果，对结构进行再设计，使其既能满足结构强度要求还能满足工艺要求如图6-1所示。 最终设计:减重55%优化原始设计 最终设计:减重55% 优化 原始设计 图6-1 拓扑优化设计 （2）结构优化类型 1）简介 结构优化是结构的形状，尺寸，拓扑，拓扑或地形的优化，以满足施加在结构响应上的操作限制，以及对结构参数可以采用的值的进一步限制。结构优化方法应用优化算法通过有限元分析解决结构问题。 2）类型 结构优化可分为尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。 ①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，适合概念设计阶段如图6-2所示。 ②形状优化：是一中队现有零部件的形状和位置进行优化的技术，适合基本设计阶段如图6-3所示。 ③尺寸优化：是一种参数优化技术，用来寻找最优化的设计参数组合，例如材料参数、横截面尺寸和厚度等，适合于详细设计阶段如图6-4所示。 图6-2 拓扑优化设计 图6-3 形貌优化设计 图6-4 形状优化 由此可见，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，是结构优化最具发展前景的一个方面。图示例子展示了尺寸优化、形状优化和拓扑优化在设计减重孔时的不同表现。 （3）优化软件选择 1）TOSCA Structure TOSCA Structure是德国Fe-design公司开发的目前在国际上处于领先地位结构优化设计软件系统，作为其进行产品虚拟开发的软件工具。 TOSCA Structure 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。在优化过程中，可以直接使用已存在的有限元模型。TOSCA Structure 是进行结构优化的每一迭代过程均在外部求解器中进行结构分析，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 Structure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如图6-5所示。 设计空间网格划分和拓扑优化重新设计形状优化减少应力验证结果网格化和负载转移 设计空间 网格划分和拓扑优化 重新设计 形状优化减少应力 验证结果 网格化和负载转移 图6-5 TOSCA优化设计过程 2）ANSYS ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如 Creo,? NASTRAN、Algor、I－DEAS、 AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用 有限元分析软件。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块，分析流程如图6-6所示。 a.创建有限元模型 b.施加载荷并求解 c.查看结果 图6-6 ANSYS优化设计过程 3）solidThinking Inspire solidThinking Inspire 是美国Altair拓扑优化软件，是一款全球领先的优秀三维设计软件，主要面向设计工程师。可广泛应用于多种行业，如汽车、航空航天、重型机械、消费品等。适用于产品的结构件、铸造件、产品托架等工程结构设计。soildThinking 引入一种全新的设计思路，帮助设计工程师获取优质的结构方案，缩短开发周期，提升设计质量。solidThinking致力于为用户提供极具创新性的软件技术，并极度重视用户体验。这些工具能够促进用户和组织作出明智决策，并促