拓扑优化 101：如何使用算法模型创建轻量级设计

好的设计在哪里满足功能？随着计算机辅助设计 (CAD) 的不断发展和 3D 打印等先进制造技术的普及，使得创建复杂零件比以往任何时候都更容易，设计师和工程师可以利用拓扑优化软件来突破界限并找到新的方法最大限度地提高设计效率。

在本指南中，了解拓扑优化的基础知识、其优势和应用，以及您可以使用哪些软件工具开始使用。

什么是拓扑优化？

拓扑优化 (TO) 是一种形状优化方法，它使用算法模型针对给定的一组载荷、条件和约束优化用户定义空间内的材料布局。 TO 通过从不需要承载重大负载的区域去除多余材料来最大限度地提高设计的性能和效率，以减轻重量或解决减少共振或热应力等设计挑战。

使用拓扑优化生成的设计通常包括自由形式和复杂的形状，使用传统的生产方法难以制造或无法制造。然而，TO 设计非常适合增材制造工艺，这些工艺具有更宽松的设计规则，可以轻松复制复杂形状而无需额外成本。

拓扑优化与衍生式设计

衍生式设计和拓扑优化已成为 CAD 设计领域的流行语，但人们普遍认为它们是同义词。

拓扑优化并不新鲜。它已经存在至少 20 年，并已在常见的 CAD 软件工具中广泛使用。其流程的开始需要人工工程师创建 CAD 模型，并在考虑项目参数的情况下应用载荷和约束。然后，该软件会去除多余的材料并生成单个优化的网格模型概念，以供工程师进行评估。换句话说，拓扑优化从一开始就需要一个人为设计的模型才能发挥作用，从而限制过程、结果和规模。

在某种程度上，拓扑优化是衍生式设计的基础。衍生式设计使流程更进一步，消除了对初始人工设计模型的需要，根据预定义的一组约束来承担设计者的角色。

网络研讨会

使用 3D 打印生产轻量部件的衍生式设计简介

在本次网络研讨会中，Formlabs 产品营销主管 Jennifer Milne 将提供一个简单的概述，解释什么是衍生式设计，其框架适用于机械零件设计，包括 Fusion 360 的分步教程，其中她将制作一个轻量级支架。

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拓扑优化的工作原理

拓扑优化通常发生在设计过程的最后阶段，此时所需部件需要更轻的重量或使用更少的材料。然后，设计师开始寻找某些预设参数，例如施加的载荷、材料类型、约束和布局。

结构拓扑优化首先确定产品形状优化所需的最小允许设计空间。然后，拓扑优化软件虚拟地从不同角度对设计施加压力，测试其结构完整性，并识别不必要的材料。

拓扑优化工作流。 （来源）

拓扑优化最常见和实用的技术是有限元法 (FEM)。首先，FEM 考虑了允许的最小空间的几何设计以及其他因素，并将设计分解为多个部分。然后测试每个有限元的刚度、柔顺性和冗余材料。最后，FEM 将零件重新缝合在一起以完成完整的设计。

验证设计包括确定元素密度场的阈值在 0 和 1 之间。值为 0 表示结构的指定区域中的材料为空洞，而值为 1 将指定区域设置为固体材料。然后，设计人员可以去除模型中所有不必要的材料，并完成设计的拓扑优化部分。

在增材制造之前，设计师放弃了许多由拓扑优化创建的复杂形状，因为它们无法制造，而且其潜力仍未实现。

拓扑优化的优势

工程师需要一个很好的理由来摆脱经典的设计和制造方法。如果创新设计不降低成本、更好地工作或节省时间，制造商将看不到改变的理由。让我们看看拓扑优化的好处。

省钱

许多来自拓扑优化的复杂几何形状将使传统制造实践无法实现生产成本。但是当与 3D 打印结合使用时，这种复杂性不会带来额外的成本。

与未优化的传统制造零件相比，制造 3D 打印零件的生产成本仍然更高，但这些轻量化设计可以通过其他方式为制造商节省更多成本：

• 更低的摩擦（飞机、汽车）使零件运动所需的能量更少，因此燃油效率更高

• 降低包装和运输成本

• 减少装配线所需的重型机械

解决设计挑战

拓扑优化可以解决设计过程中的常见挑战，例如：

• 当系统中的形状允许的力超过系统时，就会发生共振。这会导致机械变形、机械结构减少和污染排放。

• 热应力是材料温度的任何变化——由于摩擦或其他因素——导致系统内的热疲劳和变形。

有时，设计优化涉及相互竞争的目标函数，例如尺寸优化和重量。例如，航空航天部件受益于重量轻，但也必须承受巨大的扭矩、应力和热量。算法可以平衡设计以考虑这些目标函数中的每一个并找到最佳点。

节省时间

虽然使用拓扑优化软件仍然需要大量的专业知识，但 TO 工具可以快速生成工程师无法手动创建的高性能设计。这意味着花费在 CAD 设计上的时间和精力更少，最终结果可靠，设计迭代次数更少。

在零件制造方面，增材制造工艺也可以快速生产最终零件，因为它们不需要比传统制造方法快得多的工具。

减少环境影响

创造更小、更轻的产品，首先需要更少的建筑材料，从而减少制造商的整体碳足迹。与传统的减材制造工具相比，通过增材工艺生产的零件通常也需要更少的原材料和更少的浪费。

通常，最显着的节省发生在部件的整个生命周期内。例如，飞机的轻质部件需要更少的燃料，从而减少了对环境的影响。

消除错误

拓扑优化的基础是消除错误。通过进行压力测试，该流程考虑了范围广泛的变量，并避免了可能导致产品缺陷的风险假设。

拓扑优化的应用

通过拓扑优化技术实现的高性能、高效和轻量级设计适用于广泛的行业。

航空航天

由于减轻重量的重要性，拓扑优化是航空航天工程和航空航天的自然匹配。例如，TO 已被用于改进机身结构的布局设计，例如飞机的加强筋或支架。

除了实现结构轻量化之外，拓扑优化还有助于释放先进制造技术的潜力，例如在该领域越来越受欢迎的增材制造或复合材料。

空客 A380 边缘肋组件的拓扑优化。 （来源）

汽车

在汽车行业，拓扑优化平衡了轻量化部件对燃油效率和动力的需求与能够承受扭矩和冲击的车身的稳定性和强度。

除了节省质量外，拓扑优化还可以通过定义结构在事故中倒塌的方式来提高乘客安全。

使用金属 3D 打印制造的轻型拓扑优化摩托车车架。 （来源）

医疗

增材制造是制造医疗植入物的理想选择，因为它使医疗专业人员能够创建自由形状和表面以及多孔结构。由于拓扑优化，这些设计可以采用更轻的晶格结构，提供更好的骨整合，并且比其他植入物使用寿命更长。

TO 工具还可以优化用于组织工程、多孔植入物和轻型骨科的可生物降解支架的设计。纳米技术应用——例如细胞操作、手术、微流体和光学系统——也使用拓扑优化。

颅骨植入物，采用金属增材制造。来源：欧特克

拓扑优化软件

设计人员越来越认识到利用拓扑优化的多功能性、速度和强大的功能。软件公司正在通过提供必要的工具包来做出回应，无论是在他们现有的产品中还是通过新的软件解决方案。

以下是拓扑优化软件的一些示例：

• nTopology 提供了“生成式设计和自动化功能的独特工具集”，通过结合高级几何、模拟和实验数据来加速设计过程。其几何引擎适用于各种应用，从航空航天和汽车到橄榄球头盔的设计，再到医疗领域的患者专用设备。

• SOLIDWORKS Simulation Solutions 在其结构分析工具中具有拓扑优化功能，并提供多种方法将这些优化的设计带回 CAD 环境。

• Autodesk 的 Fusion 360 基于云的 CAD 平台提供形状优化和高级功能，以支持在传统和数字制造工具（如 3D 打印）上进行制造设计验证。

• Creo 7.0 创成式设计软件包括创成式拓扑优化扩展，使用户能够考虑产品限制和要求，并“快速探索创新设计选项以减少开发时间和费用”。

• Altaire OptiStruct 集成了结构优化和分析。它专注于轻量化和结构效率，在设计晶格结构时采用专有的拓扑优化方法。其集成的多物理场环境（包括传热、振动和声学、转子动力学以及刚度和稳定性）有助于消费电子、航空建模和医疗技术等领域的设计。

• Tosca Structure 在 FEA 软件中运行，拥有逼真的仿真模型，能够快速可靠地更改几何形状。它的变形能力允许在现有的有限元混搭中进行形状优化，绕过中间步骤，对机械结构设计人员尤其重要。

创新的美好未来

工程师越来越多地使用创新方法来设计原型、机器零件和消费品。

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封面图片来源：nTopology