产品团队不能错过的拓扑优化的 3 个优势

拓扑优化（TO 或 TopOp）是一种数学方法，可在给定空间内优化材料布局，同时考虑给定的负载或边界限制。拓扑优化允许设计人员优化机械部件或零件，通常通过减少材料来实现。

拓扑优化是衍生式设计的一种形式，指的是结合三个不同的学科——设计、仿真和优化——来创建一个考虑数以百万计的自由度来创建最优解决方案的仿真。

拓扑优化使设计人员能够在强度和可承受性之间取得谨慎的平衡，确定如何使用尽可能少的材料制造出足够坚固的零件。如果没有计算机的帮助，它的实现方式将非常困难。这有时会导致一些奇怪的形状，这就是拓扑优化与增材制造齐头并进的原因； 3D打印是制造这些复杂零件最有效的工具。

拓扑优化软件最终使设计人员能够利用增材制造提供的自由。然而，直到最近，对于许多产品团队来说，它的成本高得令人望而却步。直到最近几年，拓扑优化才成为许多流行 CAD 程序的内置功能，使其更易于访问。以下是产品团队需要了解的有关此强大工具的信息。

拓扑优化的工作原理

最流行和最实用的拓扑优化方法是基于有限元 (FE) 的。 FE 指的是一种设计方法，它依靠模拟来确定对象的哪些区域在结构上不是关键的，因此可以被潜在地移除。

基于 FE 的拓扑优化的第一步是定义负载、夹具、约束和“设计空间”，或给定部件可能占据的最大体积。然后，该软件将分析具体的约束，以提供多种零件设计选项，并指导设计人员朝着最佳设计方向发展。选择设计后，软件将重复该过程以细化几何形状

通常，使用拓扑优化设计的零件使用更少的材料来获得相同或更好的结果，从而直接节省成本并改进产品。由于拓扑优化可以减少许多设计的多余重量，因此该技术特别适用于航空航天和汽车行业的金属部件，当零件材料的体积或重量减少时，这两者都受益于提高的燃油效率。更重要的是，由于拓扑优化和增材制造使设计人员能够密切模仿有机形状，该技术正越来越多地用于医疗应用。

拓扑优化的好处

拓扑优化的优势不仅仅在于减少材料。它的其他一些好处包括：

• 缩短的设计流程： 拓扑优化可以大大缩短产品开发时间，从而降低成本。与传统设计方法相比，自动化过程通常会在更短的时间内产生性能更好的零件。
• 更好的性能： 给定零件的最佳设计并不总是直观的，如果没有计算机的帮助，设计团队可能永远不会想出它。拓扑优化算法没有人类所具有的偏见，因此它们往往会忽视美学和通用设计规则，而倾向于提高性能。

更高的能源和成本效率。拓扑优化消除了任何不必要的特征或材料，减少了浪费和成本。更重要的是，由于这些部件更轻，它们还倾向于减少其最终用途应用中的能源需求。

流行的拓扑优化软件

拓扑优化软件可以作为独立工具或 CAD 集成模块购买。拓扑优化的两个主要参与者是 Altair 和 Dassault Systèmes。 Altair 于 1994 年首次发布 OptiStruct 工具，通用汽车是其第一个客户。达索系统负责几个流行的 TopOp 模块，包括 Tosca 和 ATOM。

一些流行的 CAD 程序，包括 Solidworks 和 Creo，都带有内置的拓扑优化工具。请注意，这些工具往往不如独立 TO 软件强大且功能繁多。也就是说，他们能够在设计过程中提供有价值的见解。

nTop Platform 是一种新型 CAD 软件，其集成的 TopOp 模块允许模拟的数据输出直接驱动可变壁厚或格子梁厚度等设计参数，为软件领域带来新的功能。

拓扑优化入门

现代企业和消费者都需要比以往更快、更高效、更有效和更环保的解决方案。拓扑优化可以为产品团队带来这些好处以及更多好处。幸运的是，这项技术也变得越来越普及。但是，要充分利用 TO 软件并优化产品开发流程，需要团队对如何有效使用该技术有深入的功能知识。

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