增材制造模型设计（高级）项目4 产品结构优化设计.ppt

PART 01 任务引入 PART 02 任务描述 PART 03 任务实施 PART 04 装配验证 PART 05 展示成果 PART 06 总体评价 获取信息 制定计划 作出决策 工作实施 投石机设计 检查控制 评价反馈 获取信息 制定计划 作出决策 工作实施 检查控制 评价反馈 投石机设计 获取信息 制定计划 作出决策 工作实施 检查控制 评价反馈 投石机设计 获取信息 制定计划 作出决策 工作实施 检查控制 评价反馈 投石机设计 获取信息 制定计划 作出决策 工作实施 检查控制 评价反馈 投石机设计 获取信息 制定计划 作出决策 工作实施 检查控制 评价反馈 投石机设计 厚德笃学 知行合一 河南省高等教育教学改革研究项目 增材制造模型设计（高级） 学习目标 （1）理解拓扑优化、点阵优化的概念； （2）掌握有限元的基本概念和基本思想。。 （1）严谨科学的创新能力和实践动手能力； （2）具有科学严谨的治学态度和精益求精的工匠精神。 （1）能够根据产品特征使用正确优化方法； （2）掌握零件优化分析的操作步骤。 必备 知识 4.1 结构优化设计 结构设计中得到一个可行的结构方案一般并不很难。机械设计的任务是在众多的可行性方案中寻求较好的或是最好的方案。结构优化设计的前提是要能构造出大量可供优选的可能性方案，即构造出大量的优化求解空间，这也是结构设计最具创造性的地方。 结构优化设计目前基本仍局限在用数理模型描述的那类问题上。而更具有潜力、更有成效的结构优化设计应建立在由工艺、材料、联接方式、形状、顺序、方位、数量、尺寸等结构设计变元所构成的结构设计解空间的基础上。 （a） （b） （c） 图4-1减重孔的结构优化设计 必备 知识 4.1 结构优化设计 2.拓扑优化 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原始设计法，属于结构优化的一种方法。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最终优化结果，对结构进行再设计，使其既能满足结构强度要求，又能满足工艺要求。 3.点阵优化 点阵结构作为有一种新型的结构设计，除了轻量化的特点外，还具有优良的比刚度、比强度、阻尼减震、缓冲吸能等功能性特点。 点阵结构优化的一个主要应用是增材制造，其可以利用中间密度的复杂晶格表示。与块状结构相比，这可以导致更有效的结构，块状结构需要更多的材料来维持类似的负载。应当注意，与完全致密的材料相比，通常由周期性晶格结构表示的多孔材料表现出每单位体积更低的刚度。对于四面体和金刚石晶格单元，均匀化的杨氏模量与密度的关系近似给出，其中EO指定致密材料的杨氏模量。 必备 知识 4.1 结构优化设计 4.优化设计软件的选择 （1）TOSCA Structure TOSCA Stucture 是德国 Fe-Design 公司开发的结构优化设计软件系统，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，可以直接使用己存在的有限元模型。TOSCAStructure 进行结构优化的每一次迭代过程均在外部求解器中进行结构分析，并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 Stracture 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。 （2）ANSYS ANSYSY是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD）软件接口，如Creo、Nastran、Algor、I-DEAS、AutoCAD等，实现数据的共享和交换。它是融结构、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，主要包括3个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 （3）Altair Inspire Altair Inspire 是美国 Altair 公司研发的拓扑优化软件，是一款优秀的三维设计软件，主要面向设计工程师，可用于产品的结构件、铸造件、产品托架等的工程结构设计。它可用于设计流程的早期，帮助设计工程师生成和探素高效的结构基础。该软件采用 Altair 公司先进的 Opiistruct 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。根据软件生成的结果再进行结构设计，不仅能缩短整个设计流程的时间，而且能为设计节省材料及诚重。其设计优化能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。 必备 知识 4.2 三维仿真优化设计 一般地，一个完整的