3D打印-增材製造是未來製造業的發展趨勢，其優勢顯而易見，它可以實現傳統工藝手段無法製造的設計，比如複雜輕量化結構、點陣結構設計、多零件融合一體化製造等。3D打印-增材製造不僅是工藝的革命，它還帶來了設計的革命，帶來了全新的設計可行性，使得改變設計理念成為必然。我們在麵向增材製造的設計中，需要重新審視原有設計，充分發揮增材製造的優勢。





圖：增材製造點陣結構

基於3D打印-增材製造思維的設計是一場設計的革命，它完全打開了設計枷鎖，進行麵向增材製造、由產品性能驅動的設計。在該設計流程中，正向設計是核心思想，仿真優化是核心技術，其基本流程為：

基於產品性能要求定義設計空間、設計條件和設計目標；

通過拓撲形貌優化技術確定產品概念設計外形，其核心技術是拓撲優化；

確定產品概念設計外形後，結合參數優化技術進行詳細設計和定型，其核心技術是參數優化；

對優化設計進行性能驗證，其核心技術是仿真分析；

本文簡要闡述了麵向增材製造的先進設計的理念和實現手段，並將其應用於某型號振動台動圈骨架的結構設計。結果顯示由先進設計理念指導的振動台動圈骨架的最終優化設計的各項性能全麵優於原設計。

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某型號振動台動圈結構概述
電動振動台模擬產品在製造、組裝運輸以及使用執行階段所遭遇的各種環境，用以鑒定產品是否具有忍受環境振動的能力，被廣泛應用於國防、航空、航天、通訊、電子、汽車以及家電等行業。動圈骨架是電動振動台的關鍵部件，其動力學特性的優劣將直接影響到振動台係統的一階豎向共振頻率的高低，從而影響到振動台工作頻率的上限和非線性失真大小，因此一階豎向共振頻率是設計振動台的技術關鍵。某型號振動台動圈原設計如圖1所示。其各個部分的力學性質如表1所示。


圖1 某型號振動台動圈結構



表1 動圈結構的結構參數
振動台動圈結構的優化目標是在保證骨架質量不增加的前提下，其豎向一階共振頻率盡量提升，其餘性能指標（強度、Q值、橫向振動、台麵振動均勻度等）與原設計相當或優於原設計。

振動台動圈結構優化策略概述
振動台動圈結構的優化策略是在保持動圈各個結構材料不變的情況下，通過優化動圈骨架原始結構，達到在質量相對於原設計不增加的情況下，其豎向一階共振頻率盡可能提升，其它各項性能，包括骨架強度、Q值、動圈的橫向振動以及振動台台麵振動均勻度等均較原設計的相應性能有所提升。此優化策略的實現手段是：首先在ANSYS Workbench裏對動圈結構的原設計模型進行有限元分析，以獲得原設計結構的相應性能評價指標，並以此分析為基礎，利用拓撲優化軟件GENESIS對動圈骨架原設計結構進行拓撲形貌優化，以獲得具有最佳材料分布和最佳傳力路徑的動圈骨架結構的概念設計；然後基於拓撲優化的材料分布確定參數化建模方案並利用參數優化軟件optiSLang 對參數化模型進行參數優化，完成最終的詳細設計；最後，對最終的詳細設計進行有限元分析，提取相應的性能評價指標值，並與原設計的相應性能評價指標進行比較，最終確定優化設計是否滿足要求。


振動台動圈骨架拓撲形貌優化

拓撲優(you) 化基於(yu) 已知的設計空間和工況條件以及設計約束，確定剛度最大、質量最小的設計方案。它通過計算材料內(nei) 最佳的傳(chuan) 力路徑，最終獲得具有最佳材料分布的優(you) 化結果。拓撲優(you) 化革新了傳(chuan) 統的功能驅動的經驗設計模式，實現了性能驅動的生成式設計，成為(wei) 真正的正向設計模式。

就振動台動圈骨架結構而言，通過初步分析可以得出：豎向剛度的增加可以導致豎向共振頻率的增加。基於(yu) 此認識，利用GENESIS對骨架進行拓撲形貌優(you) 化，目的是探索動圈骨架的合理材料分布，為(wei) 結構改進和參數優(you) 化提供指導性概念設計方案。拓撲形貌優(you) 化的目標是動圈骨架結構的豎向剛度最大，質量最小，約束是變形不大於(yu) 原設計在相同載荷條件下的變形。其優(you) 化結果如圖2所示。


圖2 拓撲形貌優(you) 化結果

拓撲形貌優(you) 化結果可以給出後續的改進方向。從(cong) 拓撲形貌優(you) 化的結果可以看出：骨架的腹板中央和麵板和外圍環板區域應該減薄；腹板外側(ce) 和骨架底部環板區域應該加厚。具體(ti) 減薄、加厚的範圍以及板材尺寸則需要通過參數優(you) 化獲得。


振動台動圈骨架參數優(you) 化
拓撲優(you) 化隻是給出結構的最佳材料分布，但是結構詳細設計所需要的信息則需要通過參數優(you) 化獲得，從(cong) 而完成設計定型。

參數優(you) 化的一般流程包括以下步驟：

參數化建模：包括參數化CAD模型（如尺寸參數）以及參數化有限元模型（如載荷工況條件參數化）；

參數敏感性分析：識別重要性參數，過濾無關(guan) 參數，並建立高質量響應麵，為(wei) 後續快速優(you) 化做準備；

優(you) 化分析：定義(yi) 優(you) 化目標、約束條件，設定優(you) 化算法進行優(you) 化計算；

設計驗證：對最終的優(you) 化設計進行驗證性分析；

穩健性可靠性評估：若對可靠性有要求，則進行穩健性可靠性分析與(yu) 優(you) 化。

具體(ti) 到本動圈骨架結構，參數化模型采用1/8周期對稱模型（這是為(wei) 了在不影響效果的前提下提升效率）。基於(yu) 上麵拓撲形貌優(you) 化的概念設計，我們(men) 的參數化建模策略及參數化的參數如圖3所示。


圖3 振動台動圈骨架結構的參數化建模

我們(men) 關(guan) 心的響應變量為(wei) 振動台動圈骨架的質量和豎向一階共振頻率。參數優(you) 化中的參數敏感性分析結果如圖4所示。


圖4 參數優(you) 化結果：參數敏感性分析結果